CN107608037B - 应用于环介导等温扩增的光纤耦合装置 - Google Patents

应用于环介导等温扩增的光纤耦合装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种应用于环介导等温扩增的光纤耦合装置。本发明采用大功率蓝色LED作为激发光源，相比激光其更加安全且成本低廉，但功率和单色性能不如激光器。为了弥补其在功率上的劣势本发明提出了双LED的结构，增加了激发光源的输出光功率，在单色性能方面，使用窄带宽的滤光片，滤除杂光。在激发光源与光纤耦合的过程中采用了双透镜的耦合方式，使得耦合后的光功率和单色性能均达到了环介导等温扩增中的使用要求。

Description

应用于环介导等温扩增的光纤耦合装置
技术领域
本发明公开了一种大功率LED─光纤耦合装置，具体涉及一种应用于环介导等温扩增的光纤耦合装置。
背景技术
环介导等温扩增(LAMP)是一种新颖的核酸扩增技术，环介导等温扩增的结果可以用荧光反应的结果来衡量，其中要完成荧光检测需要一套光学系统，相比单纯依靠光学元件搭建的传统共聚式、斜射式等光学结构，光纤式光学结构具有密闭性好、抗干扰性强、方便扩展、易于小型化、光损失小等优点。激发光源与光纤耦合作为环介导等温扩增光纤式光学结构中最重要的一部分，其性能的好坏直接影响着基因扩增后产生荧光的强度，因此激发光源和其与光纤耦合过程的设计就显得尤其重要。环介导等温扩增中要求激发光源为单色光，而且往往激发光的功率越高，效果越好。
发明内容
本发明目的就是针对环介导等温扩增领域使用LED光源光功率不足和单色性能差，无法达到昂贵激光器的效果，而设计的一种带有补光光路的LED─光纤耦合装置，并利用滤光片，使得耦合后的激发光光功率和单色性能达到激光器的效果，进而使得LED利用其价格低廉、寿命长、安全系数高、可选波长宽的特点取代激光器。
本发明解决技术问题所采取的技术方案为：
本发明包括两路相互垂直的光路，其中水平方向上为主轴光路，垂直方向上为辅助补光光路。
在主轴光路上设置有第一大功率LED、第一透镜，其中第一大功率LED放置在第一透镜左侧一倍焦距处，用于将第一大功率LED发出的发散光变成平行光，在第一透镜的右侧设置有分光镜立方，分光镜立方内设置有分光镜。
在辅助补光光路设置有第二大功率LED、第三透镜，其中第二大功率LED放置在第三透镜下侧一倍焦距处，用于将第二大功率LED发出的发散光变成平行光。
所述的分光镜与主轴光路呈45°角设置，使得主轴光路上的平行光透过分光镜；辅助补光光路上的平行光在分光镜处反射，两路光纤叠加后进入第二透镜，经第二透镜汇聚后耦合进入光纤；所述的第二透镜的焦距小于等于第一透镜的焦距，第一透镜的焦距与第三透镜的焦距相同。
进一步说，所述的第一大功率LED和第二大功率LED均为大功率蓝色LED光源，每个光源带有散热器。
进一步说，第二透镜与光纤之间设置有蓝光窄带宽滤光片。
进一步说，所述的光纤为多模光纤。
进一步说，所述的第一透镜、第二透镜、第三透镜的直径相等。
本发明的有益效果：本发明采用大功率蓝色LED作为激发光源，相比激光其更加安全且成本低廉，但功率和单色性能不如激光器。为了弥补其在功率上的劣势本发明提出了双LED的结构，增加了激发光源的输出光功率，在单色性能方面，使用窄带宽的滤光片，滤除杂光。在激发光源与光纤耦合的过程中采用了双透镜的耦合方式，使得耦合后的光功率和单色性能均达到了环介导等温扩增中的使用要求。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本实施例中横轴为主光路，纵轴为辅助补光光路，主轴光路包括第一散热器1、第一LED安装底座2、第一LED供电PCB板3、第一大功率LED 4、第一套筒7、第一透镜5(左右各有一个固定用透镜安装卡环6)、分光镜立方8(其中包含一个分光镜9)、第二套筒11、第二透镜12(左右各有一个固定用滤光片安装卡环14)、套筒转光纤接头15、滤光片13(左右各有一个固定同卡环)、光纤16；纵轴包含第三套筒17、第三透镜18(上下各有一个固定用卡环)、第二大功率LED 19、第二LED供电PCB 20、第二LED安装底座21、第二散热器22；另外还有一个大功率LED驱动器。
第一散热器通过螺丝固定在第一LED安装底座左侧；第一LED安装底座通过外螺纹拧进含有内螺纹的第一套筒左侧；第一LED安装底座右侧固定了第一LED供电PCB板和第一大功率LED；第一透镜通过左右两个含有外螺纹的卡环固定在含有内螺纹的第一套筒内。第一套筒右侧通过外螺纹拧进含有内螺纹的分光镜立方左侧；分光镜立方中以45°倾角安装有一个分光镜，并用分光镜立方安装螺丝10固定。第二套筒通左侧过外螺纹拧进分光镜立方右侧；第二透镜通过左右两个含有外螺纹的卡环固定在含有内螺纹的第二套筒内并位于分光镜立方右侧；滤光片通过左右两个含有外螺纹的卡环固定在含有内螺纹的第二套筒内并位于第二透镜右侧；套筒转光纤接头通过外螺纹拧进含有内螺纹的第二套筒右侧；套筒转光纤接头右侧固定有光纤。第二散热器通过螺丝固定在第二LED安装底座下侧；第二LED安装底座通过外螺纹拧进含有内螺纹的第三套筒下侧；第二LED安装底座上侧固定了第二LED供电PCB板和第二大功率LED；第三透镜通过上下两个含有外螺纹的卡环固定在含有内螺纹的第三套筒内；第三套筒上测通过外螺纹拧进含有内螺纹的分光镜立方下侧；大功率LED驱动器穿过散热器连接LED供电PCB，为两个大功率LED分别供电。
本实施例的工作过程：
第一大功率LED发出的发散光首先经过第一透镜，将发散光变成平行光，根据物像共轭关系的高斯公式，应将第一大功率LED放置于第一透镜左侧一倍焦距f1处，此处应选择对蓝光高透射性分光镜使得经过准直后的光线能基本透过分光镜，第二大功率LED经过第三透镜的作用，将其发散光变成平行光，如果选择对蓝光高反射性分光镜使得经过准直后的光线大部分能透过分光镜，同样应将第二大功率LED放置于第三透镜下侧一倍焦距f3(f3＝f1)处，左侧和下侧的光源分别经过透射和反射在第二透镜前叠加(三面透镜的直径一致为Φ)，并且由于分光镜与主轴安装时成45°角，叠加后的光线仍与主轴平行。
若要使得在第二透镜前叠加的平行光线耦合后进入光纤，应将平行光线经过第二透镜后汇聚于光纤端口处，因此应将光纤端口置于第二透镜右侧一倍焦距f2处，并且能耦合进入光纤的光必须满足一定的入射角，要求第二透镜的出射光NA值满足光纤耦合条件。空气的折射率n0＝1时，即：
NA＝n0×sinθ＜NAfiber
其中θ为第二透镜出射光光锥边缘与光轴之间夹角的一半，见图1所示，其中NAfiber为实际光纤的数值孔径。并且第二透镜出射光的数值孔径大小由其焦距f2确定，即：
Figure BDA0001404975340000031
得：
Figure BDA0001404975340000032
同时，第一透镜与第二透镜以及第三透镜与第二透镜分别组成一个4F系统，对光斑存在一个缩放的功能，此时光纤端面上的光斑大小Sfiber与光源光斑大小Slight的关系如下：
Figure BDA0001404975340000041
为进一步的把光源发出的光功率输送到光纤中去，提高了耦合效率，应尽可能把光斑缩小，因此要求：
f2≤f1
所以可以根据光纤条件和光斑缩小公式来确定第二透镜焦距f2的大小，同时在选取光纤时，应尽量选取数值孔径大的多模光纤，另外在光纤入口处安放了一面只能让蓝光通过的窄带宽滤光片，从而滤除杂波，提升荧光反应的效果。
本发明的主要贡献有利用辅助光路经分光镜将补充光源的光能叠加到主光路中，从而弥补了一般大功率LED光功率不足的的缺陷，在光纤入口加入蓝光窄带宽滤光片提升了蓝光LED单色性能，相比激光器与光纤耦合，这种设计能成本低廉、安全性能更高，同时本装置具有设计合理、可靠性高、效率高等优点，经该装置得到的激发光符合环介导等温扩增对激发光的要求。

Claims (2)

1.应用于环介导等温扩增的光纤耦合装置，其特征在于：包括两路相互垂直的光路，其中水平方向上为主轴光路，垂直方向上为辅助补光光路；
在主轴光路上设置有第一大功率LED、第一透镜，其中第一大功率LED放置在第一透镜左侧一倍焦距处，用于将第一大功率LED发出的发散光变成平行光，在第一透镜的右侧设置有分光镜立方，分光镜立方内设置有分光镜；
在辅助补光光路设置有第二大功率LED、第三透镜，其中第二大功率LED放置在第三透镜下侧一倍焦距处，用于将第二大功率LED发出的发散光变成平行光；
所述的分光镜与主轴光路呈45°角设置，使得主轴光路上的平行光透过分光镜；辅助补光光路上的平行光在分光镜处反射，两路光线叠加后进入第二透镜，经第二透镜汇聚后耦合进入光纤；所述的第二透镜的焦距小于等于第一透镜的焦距，第一透镜的焦距与第三透镜的焦距相同；
所述的第一大功率LED和第二大功率LED均为大功率蓝色LED光源，每个光源带有散热器；第二透镜与光纤之间设置有蓝光窄带宽滤光片；
本发明的工作过程：
第一大功率LED发出的发散光首先经过第一透镜，将发散光变成平行光，根据物像共轭关系的高斯公式，应将第一大功率LED放置于第一透镜左侧一倍焦距f1处，此处应选择对蓝光高透射性分光镜使得经过准直后的光线能基本透过分光镜，第二大功率LED经过第三透镜的作用，将其发散光变成平行光，选择对蓝光高反射性分光镜使得经过准直后的光线大部分能透过分光镜，同样应将第二大功率LED放置于第三透镜下侧一倍焦距f3处，要求f3＝f1，左侧和下侧的光源分别经过透射和反射在第二透镜前叠加，三面透镜的直径一致为Φ，并且由于分光镜与主轴安装时成45°角，叠加后的光线仍与主轴平行；
使得在第二透镜前叠加的平行光线耦合后进入光纤，应将平行光线经过第二透镜后汇聚于光纤端口处，因此应将光纤端口置于第二透镜右侧一倍焦距f2处，并且能耦合进入光纤的光必须满足一定的入射角，要求第二透镜的出射光NA值满足光纤耦合条件，空气的折射率n0＝1时，即：
NA＝n0×sinθ＜NAfiber
其中θ为第二透镜出射光光锥边缘与光轴之间夹角的一半，其中NAfiber为实际光纤的数值孔径，并且第二透镜出射光的数值孔径大小由其焦距f2确定，即：
Figure FDA0002229199050000021
得：
Figure FDA0002229199050000022
同时，第一透镜与第二透镜以及第三透镜与第二透镜分别组成一个4F系统，对光斑存在一个缩放的功能，此时光纤端面上的光斑大小Sfiber与光源光斑大小Slight的关系如下：
Figure FDA0002229199050000023
为进一步的把光源发出的光功率输送到光纤中去，提高了耦合效率，应把光斑缩小，因此要求：f2≤f1。
2.根据权利要求1所述的应用于环介导等温扩增的光纤耦合装置，其特征在于：所述的光纤为多模光纤。
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