CN108680548B - 一种全光纤型超分辨成像方法与装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种全光纤型超分辨成像方法及装置，包括：将激发光和高斯损耗光合束并通过光涡旋光纤传输到光栅型光纤光涡旋转换器；利用光栅型光纤光涡旋转换器从所述合束中将所述高斯损耗光转换为光涡旋损耗光，且不改变所述激发光的空间分布；通过光纤微透镜使得所述光涡旋损耗光和激发光聚焦到样品上；通过控制所述激发光和高斯损耗光的光强，获得小于衍射极限的荧光激发；通过所述光纤微透镜收集被激发的荧光；通过探测所述样品不同位置对应的被激发的荧光的光强得到所述样品的超分辨率图像。本发明提高现有STED超分辨成像器件的灵活性与集成度，使之能够适用于微小尺度的内窥超分辨成像。

Description

一种全光纤型超分辨成像方法与装置
技术领域
本发明涉及光子学技术领域，更具体地，涉及一种全光纤型超分辨成像方法与装置。
背景技术
受激发射损耗(STED)成像利用了荧光饱和与激发态荧光受激损耗的非线性关系，其核心思想是利用“受激辐射”选择性消耗激发光斑边缘区域的激发态荧光分子，从而减少有效荧光的发光范围，压缩有效点扩散函数，提高系统分辨率。典型STED系统有两束严格共轴的激光照明，其中一束为激发光，另外一束为损耗光(也称受激发射损耗光)。激发光一般为高斯分布，聚焦之后得到衍射极限焦斑(艾里斑)。损耗光则具有类似面包圈的环形光强分布，聚焦之后光束中心光强为零。环形损耗光一般采用光涡旋，由高斯光通过螺旋相位调制产生。当样品上所标记的荧光分子被激发光束照射时，焦斑区域内的荧光分子将会跃迁到激发态。之后，由于损耗光(光涡旋)的作用，处于激发光斑外围的激发态分子以受激辐射的方式释放能量回到基态，而位于激发光斑内部区域的激发态分子则不受损耗光的影响，继续以自发荧光的方式回到基态。这种组合照明方式，将荧光发射区域限制在小于艾里斑的区域内，获得了一个小于衍射极限的荧光发光点。最后，通过在二维(或三维)空间内扫描共轴的激发光和损耗光(或扫描样品)，获得一幅二维(或三维)超分辨图像。STED超分辨成像巧妙的利用了光涡旋的环形光强，有效降低了成像系统的点扩散函数。
由于STED成像系统需要激发光与损耗光在纳米尺度严格对准，因此很容易受到热漂移和机械形变的影响。STED需要特殊的环形损耗光场，即光涡旋，而光涡旋一般由自由空间光学元件产生，如螺旋相位盘、空间光调制器(SLM)、数字微反射镜(DMD)等，这也使得光路更加复杂、对准更加困难。此外，在生命科学领域，为了更好的理解生命作用过程和疾病产生机理，需要在亚细胞尺度下进行活体观测研究，而传统STED成像技术难以深入组织器官细胞内部进行活体观测，所以研究亚细胞尺度的内窥STED超分辨成像技术也十分必要。
与传统自由空间STED系统相比，基于光涡旋的光纤STED成像技术有希望带来一定的改进和提升。光纤STED系统中，激发光与光涡旋损耗光，在同一根光纤中传输，激发光与损耗光是自然对准的，因此不需要额外的严格对准过程，可以提升系统稳定性，并降低成本。此外，由于光纤具有尺寸小、易弯折的特性，光纤STED还可以用来实现活体内窥超分辨成像，因此研究光纤STED具有十分重要的科学意义和应用前景。
然而，纵观国内外在光纤STED现状和发展动态，可以看到基于光涡旋的光纤受激发射损耗超分辨成像研究尚处于起步阶段，许多关键问题亟待解决，具有进一步提升和拓展空间。现有光纤受激发射损耗系统并不是全光纤结构，而采用的是部分自由空间光路、部分光纤传输，其稳定性、抗干扰能力、灵活性及集成度等还可以通过采用全光纤结构进一步提升。当前光纤STED内窥系统采用的微透镜尺寸(毫米量级)仍然比较大，无法深入一些生物组织器官内部实现微米空隙下的内窥成像。因此，研究更加小型化、集成化的光纤型STED超分辨成像具有十分重要的意义。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决现有光纤受激发射损耗系统并不是全光纤结构，而采用的是部分自由空间光路、部分光纤传输，其稳定性、抗干扰能力、灵活性及集成度还不是最佳，且当前光纤STED内窥系统采用的微透镜尺寸(毫米量级)仍然比较大，无法深入一些生物组织器官内部实现微米空隙下的内窥成像的技术问题。
为实现上述目的，第一方面，本发明提供一种全光纤型超分辨成像方法，包括以下步骤：
将激发光和高斯损耗光合束并通过光涡旋光纤传输到光栅型光纤光涡旋转换器；利用光栅型光纤光涡旋转换器从所述合束中将所述高斯损耗光转换为光涡旋损耗光，且不改变所述激发光的空间分布；通过光纤微透镜使得所述光涡旋损耗光和激发光聚焦到样品上；通过控制所述激发光和高斯损耗光的光强，获得小于衍射极限的荧光激发；通过所述光纤微透镜收集被激发的荧光；通过探测所述样品不同位置对应的被激发的荧光的光强得到所述样品的超分辨率图像。
可选地，该方法还还包括：通过光纤偏振控制器和长周期光纤光栅，控制光栅周期长度和周期数，使所述光栅型光纤光涡旋转换器只对波长为λ2的损耗光发生作用，对波长为λ1的激发光和波长为λ3的荧光不发生作用。
第二方面，本发明提供一种全光纤型超分辨成像方法，包括以下步骤：
将激发光通过光涡旋光纤传输到耦合器型光纤光涡旋转换器的第一端；将高斯损耗光通过单模光纤传输到耦合器型光纤光涡旋转换器的第二端；通过耦合器型光纤光涡旋转换器将所述高斯损耗光转换为光涡旋损耗光，且不改变所述激发光的空间分布；通过光纤微透镜使得所述光涡旋损耗光和激发光聚焦到样品上；通过控制所述激发光和高斯损耗光的光强，获得小于衍射极限的荧光激发；通过所述光纤微透镜收集被激发的荧光；通过探测所述样品不同位置对应的被激发的荧光的光强得到所述样品的超分辨率图像。
第三方面，本发明提供一种全光纤型超分辨成像装置，包括：激发光源、损耗光源、多条单模光纤、光纤环形器、多条光涡旋光纤、光栅型光纤光涡旋转换器、光纤微透镜、光纤滤波器、光电探测器以及光纤耦合器；
所述激光光源通过第1条单模光纤与光纤耦合器的一个输入端连接；所述损耗光源通过第2条单模光纤与光纤耦合器的另一个输入端连接；所述光纤耦合器的输出端通过第3条单模光纤与光纤环形器的第一端口连接；所述光纤环形器的第二端口通过第4条单模光纤与第1条光涡旋光纤的一端连接；所述光纤环形器的第三端口通过第5条单模光纤与光纤滤波器的输入端连接；所述光纤滤波器的输出端通过第6条单模光纤与光电探测器连接；所述1条光涡旋光纤的另一端连接光栅型光纤光涡旋转换器的一端；所述光栅型光纤光涡旋转换器的另一端通过第2条光涡旋光纤连接光纤微透镜；所述激发光源发射激发光，所述损耗光源发射高斯损耗光，所述光纤耦合器将所述激发光和高斯损耗光合束后输出，所述合束从光纤环形器的第一端口输入，从所述光纤环形器的第二端口输出，所述光栅型光纤光涡旋转换器从合束中将高斯损耗光转换为光涡旋损耗光，且不改变所述激发光的空间分布；所述光纤微透镜将所述光涡旋损耗光和激发光聚焦到样品上；所述光纤微透镜收集所述样品中被激发的荧光，所述荧光通过控制所述激发光和高斯损耗光的光强获得小于衍射极限的荧光激发得到；所述被激发的荧光从所述光纤环形器的第二端口输入，从所述光纤环形器的第三端口输出，所述光纤滤波器将被激发的荧光滤出并送到光电探测器，所述光电探测器探测所述荧光的光强，所述样品不同位置对应的被激发的荧光的光强用于确定所述样品的超分辨率图像。
可选好滴，该装置还包括：光纤偏振控制器和长周期光纤光栅；
所述光纤偏振控制器和长周期光纤光栅作用于所述第1条光涡旋光纤，控制光栅周期长度和周期数，使所述光栅型光纤光涡旋转换器只对波长为λ2的损耗光发生作用，对波长为λ1的激发光和波长为λ3的荧光不发生作用。
可选地，所述光纤微透镜焦点位置与焦点处光斑的大小，以及所述光纤微透镜与样品的距离共同决定样品成像的分辨率。
第四方面，本发明提供一种全光纤型超分辨成像装置，包括：激发光源、损耗光源、多条单模光纤、光纤环形器、多条光涡旋光纤、耦合器型光纤光涡旋转换器、光纤微透镜、光纤滤波器以及光电探测器；
所述激发光源通过第1条单模光纤与光纤环形器的第一端口连接；所述光纤环形器的第二端口通过第2条单模光纤与第1条光涡旋光纤的一端连接；所述光纤环形器的第三端口通过第3条单模光纤与光纤滤波器的输入端连接；所述光纤滤波器的输出端通过第4条单模光纤与光电探测器连接；所述1条光涡旋光纤的另一端连接耦合器型光纤光涡旋转换器的第一端；所述损耗光源通过第5条单模光纤连接耦合器型光纤光涡旋转换器的第二端；所述耦合器型光纤光涡旋转换器的第三端通过第2条光涡旋光纤连接光纤微透镜；所述激发光源发射激发光，所述损耗光源发射高斯损耗光，所述激发光从光纤环形器的第一端口输入，从所述光纤环形器的第二端口输出，所述耦合器型光纤光涡旋转换器将高斯损耗光转换为光涡旋损耗光，且不改变所述激发光的空间分布；所述光纤微透镜将所述光涡旋损耗光和激发光聚焦到样品上；所述光纤微透镜收集所述样品中被激发的荧光，所述荧光通过控制所述激发光和高斯损耗光的光强获得小于衍射极限的荧光激发得到；所述被激发的荧光从所述光纤环形器的第二端口输入，从所述光纤环形器的第三端口输出，所述光纤滤波器将被激发的荧光滤出并送到光电探测器，所述光电探测器探测所述荧光的光强，所述样品不同位置对应的被激发的荧光的光强用于确定所述样品的超分辨率图像。
可选地，所述光纤微透镜焦点位置与焦点处光斑的大小，以及所述光纤微透镜与样品的距离共同决定样品成像的分辨率。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
(1)相对于传统的STED超分辨成像器件，本发明采用全光纤结构，激发光、损耗光、信号光的传输，以及高斯损耗光到涡旋损耗光的转换全部依靠光纤与光纤器件实现，激发光与损耗光是自然对准的，不需要额外的严格对准过程，光路可以任意弯折，灵活度大，光束在光纤中传输，可以有效避免外界干扰，提升了系统的稳定性。为受激发射损耗超分辨成像提供了一种全新的思路及一种简单易于实现的装置。
(2)本发明将光纤光涡旋转换器、光纤耦合器、光纤环形器、光纤透镜、光纤滤波器等光纤器件进行有机组合，组成光纤系统，器件之间的连接简单方便，简化了STED系统的装配过程。
(3)本发明方案所采用器件全部为光纤器件，各器件小巧、紧凑且易于加工，极大的提高了系统集成度，降低了系统的复杂度和成本。
(4)本发明采用光纤微透镜作为成像显微物镜，以扩展STED系统的成像深度，使之可以应用于微小尺度下的超分辨内窥成像。微型光纤透镜可以直接在光纤端面加工获得，尖端尺寸仅为几微米，尺寸极小，可深入细胞间隙进行观测，在生物医学、微观物理等需要高分辨成像的领域具有广泛的应用前景，并且具有较高的实用性。
附图说明
图1为本发明提供的一种全光纤型STED超分辨成像装置结构示意图；
图2为本发明提供的一种光栅型光纤光涡旋转换器结构示意图；
图3为本发明提供的基于电弧放电制作的光纤微透镜的形貌分布示意图；
图4为本发明提供的另一种全光纤型STED超分辨成像装置结构示意图；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1为激发光源，2为损耗光源，3为单模光纤，4为光纤环形器，5为光涡旋光纤，6-1为光栅型光纤光涡旋转换器，6-2为耦合器型光纤光涡旋转换器，7为光纤微透镜，8为光纤滤波器，9为光电探测器和10为光纤耦合器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明公开了一种全光纤型STED超分辨成像方法与装置，该方法利用光纤及光纤器件将STED系统的中激发光源、损耗光源、滤波器、光涡旋转换器、显微物镜、光电探测器等模块进行连接，构成全光纤系统。激发光、损耗光、荧光信号全部在光纤链路中传输。其中光涡旋转换器直接在涡旋光纤上加工光栅或者耦合器实现；显微物镜采用光纤微透镜，可以直接通过拉锥、放电、溶蚀、烧蚀光涡旋光纤端面获得，或通过粘贴微球、梯度透镜等方式获得，直接在光纤端面加工的光纤微透镜，尺寸为纳微米量级，可以深入亚细胞结构内部进行超分辨观测。与传统的空间光场中STED超分辨成像装置相比，由于光纤结构的特性，激发光与损耗光之间无需对准，激发光与损耗光是自然对准的，不需要额外的严格对准过程，本发明在降低成本的同时，提高了器件的稳定性、抗干扰能力、灵活性及集成度，并可实现微小尺度(微米量级)的活体、亚细胞内窥成像，具有广泛的应用前景，填补了相关技术的空白。
本发明提供的全光纤型STED超分辨成像方法和装置，目的在于在降低成本，提升STED系统的稳定性、抗干扰能力、灵活性及集成度，以便于全面拓展STED超分辨成像的应用范围，特别是针对于微小尺度的内窥超分辨成像。
本发明提供的全光纤型STED超分辨成像方法，该方法利用光纤及光纤器件将STED系统的中激发光源、损耗光源、滤波器、光涡旋转换器、显微物镜、光电探测器等模块进行连接，构成全光纤系统。激发光、损耗光、荧光信号全部在光纤链路中传输，其具体工作做过程如下：高斯分布的激光发与损耗光由单模光纤输入，光纤链路中的光涡旋转换器将高斯损耗光转换为光涡旋模式，高斯激发光与光涡旋损耗光经由与输出光纤直接相连的显微物镜聚焦到荧光样品上，获得小于衍射极限的单点荧光激发，荧光信号由显微物镜收集，并沿与激发光和损耗光相反方向传输，随后荧光信号经环形器分离和滤波器滤波并送入光电探测器检测。通过在二维(或三维空间内)扫描与光纤相连的显微物透镜或者扫描样品，并测量荧光光强，即可获得一幅二维(或三维)超分辨图像。
更进一步地，本发明采用的光涡旋转换器为光纤型，直接在光涡旋光纤上加工获得，其目的是为了增加结构的灵活性与鲁棒性，可以使整体结构更不容易受到外界环境影响。光纤光涡旋转换器可以将输入的高斯损耗光转换为光涡旋损耗光，且不会使高斯激发光发生转换。
更进一步地，本发明采用的显微物镜为光纤微透镜，光纤微透镜直接与光涡旋光纤的光纤相连，其目的是为了降低物镜尺寸，提高系统集成度和灵活性，使该发明可以应用于微小尺度的内窥STED成像。
更进一步的，本发明所用滤波器为光纤型滤波器，直接在光纤上刻写布拉格光栅或者长周期光栅实现，其目的在于提升系统的集成度。
更进一步的，用来传输光涡旋损耗光的光纤为优化设计的光纤结构，可以稳定支持一阶光涡旋，其目的在于保证光涡旋模式传输的稳定性。
更进一步的，不同光纤、器件之间的链接可以采用熔接、机械对接的方法实现，目的在于提升系统的稳定性、集成度和灵活性。
本发明提供的一种全光纤型STED超分辨成像装置，该装置包括：激发光源，损耗光源，单模光纤，光涡旋光纤，光纤耦合器，三端口光纤环形器(端口①、②、③)，光纤滤波器，光纤光涡旋转换器，光纤微透镜，光电探测器。激发光源的光波长为λ1，损耗光源的波长为λ2，波长λ1和λ2由所用STED荧光染料决定。激发光源和损耗光源通过单模光纤分别连接到光纤耦合器的两个输入端，光纤耦合器的输出端连接到光纤环形器的端口①，光纤环形器的端口②连接基于光栅的光涡旋转换器，光涡旋转换器的输出端连接光涡旋光纤，光涡旋光纤输出端连接光纤微透镜，光纤环形器的端口③连接光纤滤波器，光纤滤波器的输出端连接光电探测器。光纤滤波器可以过滤出波长为λ3的荧光信号，光电探测器可以高灵敏的将荧光信号转换为电信号。
更进一步的，基于光栅的光涡旋转换器，可以直接在光涡旋光纤上施加或加工长周期光栅获得，并且可以在光栅区域后端加入光纤偏振控制器，调控光涡旋状态。通过控制光栅周期长度和周期数，可以使光涡旋转换器只对波长为λ2的损耗光发生作用，对波长为λ1的激发光和波长为λ3的荧光不发生作用。
更进一步的，光涡旋光纤可以支持光涡旋传输的特种光纤，如少模光纤、环形光纤等。
更进一步的，光纤微透镜，可以通过拉锥、放电、溶蚀、烧蚀光涡旋光纤端面获得，也可以通过粘贴微球、梯度透镜等方式获得。直接在光纤端面加工的光纤微透镜，尺寸为纳微米量级，可以深入亚细胞结构内部进行超分辨观测。
作为上述方案的一种改进，光纤光涡旋转换器可以采用光纤耦合器型光涡旋转换器，装置改为如下连接方式：激发光源通过单模光纤连接到光纤环形器的端口①，光纤环形器的端口②通过单模光纤连接到耦合器型光涡旋转换器的光涡旋光纤输入端，连接可以通过熔接实现，损耗光源连接到耦合器型光涡旋转换器的单模输入端上，耦合器型光涡旋转换器的输出端连接光涡旋光纤，光涡旋光纤输出端连接光纤微透镜，光纤环形器的端口③连接光纤滤波器，光纤滤波器的输出端连接光电探测器。
更进一步的，耦合器型光涡旋转换器可以通过单模光纤与光涡旋光纤熔融拉锥获得，从单模端口输入的高斯光，经过耦合器型光涡旋转换器后会转变为光涡旋模式，而从光涡光纤端口输入的高斯光则不会发生转换。
图1为本发明提供的一种全光纤型STED超分辨成像装置结构，如图1所示，该装置包括：激发光源1，损耗光源2，单模光纤3，光纤环形器4，光涡旋光纤5，光栅型光纤光涡旋转换器6-1，光纤微透镜7，光纤滤波器8，光电探测器9和光纤耦合器10。
激发光源1与激发光源2通过单模光纤3连接到光纤耦合器10的两个输入端，光纤耦合器10的输出连接到光纤环形器4的端口①，光纤环形器4的端口②连接光涡旋光纤5光栅型光纤光涡旋转换器6-1施加在光涡旋光纤5上，光涡旋光纤5的输出端连接光纤微透镜7，光纤环形器4的端口③连接光纤滤波器8，光纤滤波器8的输出端连接光电探测器9。其中，激发光源1的波长为λ1，损耗光源2的波长为λ2，激发的荧光波长为λ3，波长λ1、λ2和λ3由所用荧光染料决定。激发光与损耗光分别沿光纤链路向前传输，经光纤耦合器10合束在同一根光纤中共轴传输，然后经过光栅型光纤光涡旋转换器6-1，将波长为λ2的高斯损耗光转换为光涡旋损耗光，而不改变波长为λ1的激发光的空间分布。光涡旋损耗光与高斯激发光，经光纤微透镜7聚焦到样品上，通过控制激发光与损耗光的光强，可以获得小于衍射极限的荧光激发。被激发的荧光信号经光纤微透镜7收集，沿反向传输，从光纤环形器4的端口③输出，光纤滤波器8将波长为λ3的荧光信号滤出并送到光电探测器9进行光强检测。通过扫描光纤微透镜或者扫描样品，并测量荧光光强，即可获得一幅超分辨图像。
具体地，成像方法如下：高斯分布的激光发与损耗光由单模光纤输入，光纤链路中的光涡旋转换器将高斯损耗光转换为光涡旋损耗光，高斯激发光与光涡旋损耗光经由与输出光纤直接相连的显微物镜聚焦到荧光样品上，获得小于衍射极限的单点荧光激发，荧光信号由显微物镜收集，并沿与激发光和损耗光相反方向传输，随后荧光信号经环形器分离和滤波器滤波并送入光电探测器检测。通过在二维(或三维空间内)扫描与光纤相连的微透镜或者扫描样品，并测量荧光光强，即可获得一幅二维(或三维)超分辨图像。整个光传输链路，由单模光纤、光涡旋光纤连接，构成全光纤链路，激发光、损耗光、荧光的传输、光涡旋损耗光的转换、激发光与光涡旋损耗光的汇聚都由光纤和光纤器件完成，系统结构紧凑，激发光与损耗光自然对准不需要额外的对准过程。
其中，光栅型光纤光涡旋转换器6-1，可以直接在光涡旋光纤上施加或加工长周期光栅获得，如图2所示，并且可以在光栅区域后面加入光纤偏振控制器，调控光涡旋状态。通过控制光栅周期长度和周期数，可以使光涡旋转换器只对波长为λ2的损耗光发生作用，对波长为λ1的激发光和波长为λ3的荧光不发生作用。
为满足微小尺度内窥超分辨成像要求，本发明采用了光纤微透镜7聚焦光束。其中，光纤微透镜可以综合采用电弧放电、溶液腐蚀、CO2激光等加工手段制备。
如图3所示，为电弧放电方法制作的光纤微透镜。图中标注X的部分为X轴方向光纤微透镜形貌图，标注Y的部分为Y轴方向光纤微透镜形貌图。光纤微透镜大小为微米量级，与当前光纤STED内窥系统采用的微透镜尺寸相比较小，可以深入一些生物组织器官内部实现微米空隙下的内窥成像。通过改变光纤微透镜的形貌，可以控制焦点位置与焦点处光斑的大小。如普通锥形光纤微透镜，焦点位置与焦点处光斑的大小由光纤端面锥形微透镜的锥角与锥顶球面曲率半径共同决定。以此为依据，可以制作不同工作距离，不同分辨率的全光纤型STED超分辨成像装置。
光纤滤波器8可以滤除激发光λ1和损耗光λ2以及其他杂散光，提升系统灵敏度，可以通过在光纤上刻写或施加光纤光栅实现。
图4为本发明提供的另一种全光纤型STED超分辨成像装置结构，如图4所示，该装置包括：激发光源1，损耗光源2，单模光纤3，光纤环形器4，光涡旋光纤5，耦合器型光纤光涡旋转换器6-2，光纤微透镜7，光纤滤波器8，光电探测器9。
激发光源1通过单模光纤3连接到光纤环形器4的端口①，光纤环形器4的端口②通过光涡旋光纤5连接到耦合器型光纤光涡旋转换器6-2的光涡旋光纤端。损耗光源2通过单模光纤3连接到耦合器型光纤光涡旋转换器6-2的单模光纤端。耦合器型光纤光涡旋转换器6的输出端通过光涡旋光纤5连接光纤微透镜7，光纤环形器4的端口③连接光纤滤波器8，光纤滤波器8的输出端连接光电探测器9。其中，激发光源1的波长为λ1，损耗光源2的波长为λ2，激发的荧光波长为λ3，波长λ1、λ2和λ3由所用荧光染料决定。耦合器型光纤光涡旋转换器6-2可以将其单模光纤端输入的高斯损耗光转转为光涡旋损耗光，而不改变从光涡旋光纤端输入的高斯激发光的空间分布。光涡旋损耗光与高斯激发光，经光纤微透镜7聚焦到样品上，通过控制激发光与损耗光的光强，可以获得小于衍射极限的荧光激发。被激发的荧光信号经光纤微透镜7收集，沿反向传输，从光纤环形器4的端口③输出，光纤滤波器8将波长为λ3的荧光信号滤出并送到光电探测器9进行光强检测。通过扫描光纤微透镜或者扫描样品，并测量荧光光强，即可获得一幅超分辨图像。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种全光纤型超分辨成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
将激发光和高斯损耗光合束并通过光涡旋光纤传输到光栅型光纤光涡旋转换器；
利用光栅型光纤光涡旋转换器从所述合束中将所述高斯损耗光转换为光涡旋损耗光，且不改变所述激发光的空间分布；
通过光纤微透镜使得所述光涡旋损耗光和激发光聚焦到样品上；
通过控制所述激发光和高斯损耗光的光强，获得小于衍射极限的荧光激发；
通过所述光纤微透镜收集被激发的荧光；
通过探测所述样品不同位置对应的被激发的荧光的光强得到所述样品的超分辨率图像。
2.根据权利要求1所述的全光纤型超分辨成像方法，其特征在于，还包括：
通过光纤偏振控制器和长周期光纤光栅，控制光栅周期长度和周期数，使所述光栅型光纤光涡旋转换器只对波长为λ2的损耗光发生作用，对波长为λ1的激发光和波长为λ3的荧光不发生作用。
3.一种全光纤型超分辨成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
将激发光通过光涡旋光纤传输到耦合器型光纤光涡旋转换器的第一端；
将高斯损耗光通过单模光纤传输到耦合器型光纤光涡旋转换器的第二端；
通过耦合器型光纤光涡旋转换器将所述高斯损耗光转换为光涡旋损耗光，且不改变所述激发光的空间分布；
通过光纤微透镜使得所述光涡旋损耗光和激发光聚焦到样品上；
通过控制所述激发光和高斯损耗光的光强，获得小于衍射极限的荧光激发；
通过所述光纤微透镜收集被激发的荧光；
通过探测所述样品不同位置对应的被激发的荧光的光强得到所述样品的超分辨率图像。
4.一种全光纤型超分辨成像装置，其特征在于，包括：激发光源、损耗光源、多条单模光纤、光纤环形器、多条光涡旋光纤、光栅型光纤光涡旋转换器、光纤微透镜、光纤滤波器、光电探测器以及光纤耦合器；
所述激发光源通过第1条单模光纤与光纤耦合器的一个输入端连接；
所述损耗光源通过第2条单模光纤与光纤耦合器的另一个输入端连接；
所述光纤耦合器的输出端通过第3条单模光纤与光纤环形器的第一端口连接；
所述光纤环形器的第二端口通过第4条单模光纤与第1条光涡旋光纤的一端连接；
所述光纤环形器的第三端口通过第5条单模光纤与光纤滤波器的输入端连接；
所述光纤滤波器的输出端通过第6条单模光纤与光电探测器连接；
所述1条光涡旋光纤的另一端连接光栅型光纤光涡旋转换器的一端；
所述光栅型光纤光涡旋转换器的另一端通过第2条光涡旋光纤连接光纤微透镜；
所述激发光源发射激发光，所述损耗光源发射高斯损耗光，所述光纤耦合器将所述激发光和高斯损耗光合束后输出，所述合束从光纤环形器的第一端口输入，从所述光纤环形器的第二端口输出，所述光栅型光纤光涡旋转换器从合束中将高斯损耗光转换为光涡旋损耗光，且不改变所述激发光的空间分布；所述光纤微透镜将所述光涡旋损耗光和激发光聚焦到样品上；
所述光纤微透镜收集所述样品中被激发的荧光，所述荧光通过控制所述激发光和高斯损耗光的光强获得小于衍射极限的荧光激发得到；所述被激发的荧光从所述光纤环形器的第二端口输入，从所述光纤环形器的第三端口输出，所述光纤滤波器将被激发的荧光滤出并送到光电探测器，所述光电探测器探测所述荧光的光强，所述样品不同位置对应的被激发的荧光的光强用于确定所述样品的超分辨率图像。
5.根据权利要求4所述的全光纤型超分辨成像装置，其特征在于，还包括：光纤偏振控制器和长周期光纤光栅；
所述光纤偏振控制器和长周期光纤光栅作用于所述第1条光涡旋光纤，控制光栅周期长度和周期数，使所述光栅型光纤光涡旋转换器只对波长为λ2的损耗光发生作用，对波长为λ1的激发光和波长为λ3的荧光不发生作用。
6.根据权利要求4或5所述的全光纤型超分辨成像装置，其特征在于，所述光纤微透镜焦点位置与焦点处光斑的大小，以及所述光纤微透镜与样品的距离共同决定样品成像的分辨率。
7.一种全光纤型超分辨成像装置，其特征在于，包括：激发光源、损耗光源、多条单模光纤、光纤环形器、多条光涡旋光纤、耦合器型光纤光涡旋转换器、光纤微透镜、光纤滤波器以及光电探测器；
所述激发光源通过第1条单模光纤与光纤环形器的第一端口连接；
所述光纤环形器的第二端口通过第2条单模光纤与第1条光涡旋光纤的一端连接；
所述光纤环形器的第三端口通过第3条单模光纤与光纤滤波器的输入端连接；
所述光纤滤波器的输出端通过第4条单模光纤与光电探测器连接；
所述1条光涡旋光纤的另一端连接耦合器型光纤光涡旋转换器的第一端；
所述损耗光源通过第5条单模光纤连接耦合器型光纤光涡旋转换器的第二端；
所述耦合器型光纤光涡旋转换器的第三端通过第2条光涡旋光纤连接光纤微透镜；
所述激发光源发射激发光，所述损耗光源发射高斯损耗光，所述激发光从光纤环形器的第一端口输入，从所述光纤环形器的第二端口输出，所述耦合器型光纤光涡旋转换器将高斯损耗光转换为光涡旋损耗光，且不改变所述激发光的空间分布；所述光纤微透镜将所述光涡旋损耗光和激发光聚焦到样品上；
所述光纤微透镜收集所述样品中被激发的荧光，所述荧光通过控制所述激发光和高斯损耗光的光强获得小于衍射极限的荧光激发得到；所述被激发的荧光从所述光纤环形器的第二端口输入，从所述光纤环形器的第三端口输出，所述光纤滤波器将被激发的荧光滤出并送到光电探测器，所述光电探测器探测所述荧光的光强，所述样品不同位置对应的被激发的荧光的光强用于确定所述样品的超分辨率图像。
8.根据权利要求7所述的全光纤型超分辨成像装置，其特征在于，所述光纤微透镜焦点位置与焦点处光斑的大小，以及所述光纤微透镜与样品的距离共同决定样品成像的分辨率。
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