CN109031634A - 一种连续波受激发射损耗显微镜光路装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种连续波受激发射损耗显微镜光路装置，包括沿连续波激发光传播路径依次设置的第一声光调制器、第一光纤耦合物镜、第一单模光纤、第一光纤准直器、第一起偏器、第一四分之一波片、二色镜、三色镜和高数值孔径物镜；还包括沿连续波消激发光传播路径依次设置的第二声光调制器、第二光纤耦合物镜、第二单模光纤、第二光纤准直器、第二起偏器、第二四分之一波片和反射镜。本发明利用单模光纤实现对激发光与消激发光的滤波、整形、调制以及传输，极大简化了CW‑STED显微镜系统光路、提升了系统稳定性、压缩了系统空间尺寸、有利于实现系统的集成化与小型化。

Description

一种连续波受激发射损耗显微镜光路装置

技术领域

本发明属于光束整形与调制技术领域，具体涉及一种连续波受激发射损耗显微镜光路装置。

背景技术

受激发射损耗(STED,stimulated emission depletion)显微镜采用光学方法打破了衍射极限定律限制，实现了纳米量级的超分辨成像，是目前最为先进的光学显微镜之一。

一般来说，STED显微镜通常包含两束激光，一束为激发光，用于激发样品的荧光分子，另外一束为消激发光，用于抑制样品中荧光分子的自发荧光辐射。其中，消激发光通常为利用具有π相位变化的圆形相位板或螺旋形的0-2π相位板调制高斯光束所生成的中心区域为零光强的环形光束。STED显微镜的激发、消激发光源涵盖超短脉冲(飞秒)以及连续波(CW)激光。基于超短脉冲激光的STED显微镜系统成本高、光路构造复杂，对光脉冲时间控制要求高；而基于连续波激光的STED显微镜具有成本低、光路简单、调节方便、对光束的时间控制要求低的优点，因此得到了大力的推广和应用。

在连续波受激发射损耗(CW-STED)显微镜中，由于声光调制器相对机械光开关具有更高的控制精度，相对电光调制器其能量损失小、调节方便，因此在CW-STED显微镜中通常采用声光调制器实现对激发光与消激发光光路通断的控制。

激发光与消激发光通过声光调制器后，将产生一系列的衍射光束，激发光路与消激发光路一般建立在1级衍射光束传播的光路上。由于经过声光调制器衍射的激光光束发散角明显增加，同时光斑形状形变明显，因此需要在声光调制器后设置空间光滤波器滤除1级衍射光束以外的杂波，实现TM00模的激发光与消激发光，然后两束光分别经过透镜准直为平行光。随后，消激发光经过分立设置的相位调制元件，对光束相位进行调制，最终在STED显微镜焦平面形成环形消激发光光斑。此外，激发光与消激发光还需要在显微镜物镜入瞳处准直成为同轴光束，从而实现两束光焦点在空间的完全重合，通常采用两枚对立设置的反射镜调节光束(一般为消激发光)的反射方向，使之与另一束光完全重合。

然而，目前基于上述构造的CW-STED系统，由于空间滤波器普遍存在抗外界干扰能力较差的问题，从而导致了下游的激发光和消激发光光斑的漂移，这极大降低了系统的稳定性；此外，目前的系统中某些分立构造，比如：空间光滤波器后分立设置的平行光准直透镜、分立设置的相位元件，以及在消激发光与激发光调重合的过程中提及的反射镜片组等因素，都造成了系统调节的不便，增加了系统不稳定的因素，同时也降低了系统的集成能力。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种连续波受激发射损耗显微镜光路装置，解决了现有CW-STED超分辨显微镜在稳定性、集成化方面存在的技术问题。

为了解决上述技术问题，本申请采用如下技术方案予以实现：

一种连续波受激发射损耗显微镜光路装置，包括沿连续波激发光传播路径依次设置的第一声光调制器、第一光纤耦合物镜、第一单模光纤、第一光纤准直器、第一起偏器、第一四分之一波片、二色镜、三色镜和高数值孔径物镜；

还包括沿连续波消激发光传播路径依次设置的第二声光调制器、第二光纤耦合物镜、第二单模光纤、第二光纤准直器、第二起偏器、第二四分之一波片和反射镜。

进一步地，所述第一声光调制器与第一光纤耦合物镜之间设有第一光阑；

所述第二声光调制器与第二光纤耦合物镜之间设有第二光阑。

进一步地，所述第二单模光纤的出射端面上设有圆形台阶状凸起，该圆形台阶状凸起的中心与第二单模光纤的纤芯中心位于同一位置，所述圆形台阶状凸起的直径为第二单模光纤的纤芯直径的0.707倍。

进一步地，通过式(1)可得到圆形台阶状凸起的高度d：

d＝πλ/(n1-n0) (1)

式(1)中，λ为连续波消激发光的波长，n1为圆形台阶状凸起的折射率，n0为第二单模光纤所处外部坏境的折射率。

进一步地，所述圆形台阶状凸起的材料可以为熔石英、高分子聚合物或氟化镁中的任意一种。

进一步地，所述连续波激发光和连续波消激发光均为线偏振光。

进一步地，所述第一起偏器的偏振化方向与从第一准直器出射的连续波激发光的主要偏振方向平行；

所述第二起偏器的偏振化方向与从第二准直器出射的连续波消激发光的主要偏振方向平行。

进一步地，所述第一四分之一波片的光轴与第一起偏器的偏振化方向之间的夹角为45°；

所述第二四分之一波片的光轴与第二起偏器的偏振化方向之间的夹角为45°。

进一步地，所述二色镜用于对连续波激发光波段高透，且对样品的荧光信号波段高反；

所述三色镜用于对连续波激发光波段和样品的荧光信号波段高透，且对连续波消激发光波段高反。

进一步地，所述三色镜与连续波激发光主光轴呈45°夹角。

本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：

(1)本发明利用单模光纤实现对激发光与消激发光的滤波、整形、调制以及传输，极大简化了CW-STED显微镜系统光路、提升了系统稳定性、压缩了系统空间尺寸、有利于实现系统的集成与小型化。

(2)本发明消激发光路中的单模光纤兼备相位调制功能，且其实现方法简单。通过在单模光纤端面制备与纤芯同轴、直径为0.707倍芯径、能引发波面π相位延迟的圆形台阶状结构，即可实现对消激发光的相位调制，最终在成像物镜焦平面上获得环形消激发光光斑。

(3)本发明通过调节消激发光的出光位置与角度，以及设置在消激发光光路中的反射镜片俯仰角，即可实现激发光光束与消激发光光束的光轴完全重合，相比现有技术光路更加简化和稳定、光束同轴调节更加方便。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2(a)为连续波消激发光光路中第二单模光纤的出射端面结构示意图；图2(b)为图2(a)的右视图。

图中符号代表：1-第一声光调制器，2-第一光阑，3-第一光纤耦合物镜，4-第一单模光纤，5-第一光纤准直器，6-第一起偏器，7-第一四分之一波片，8-二色镜，9-三色镜，10-高数值孔径物镜，11-第二声光调制器，12-第二光阑，13-第二光纤耦合物镜，14-第二单模光纤，15-第二光纤准直器，16-第二起偏器，17-第二四分之一波片，18-反射镜，19-荧光信号探测单元。

以下结合附图和实施例对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。

具体实施方式

以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

实施例：

本实施例给出一种连续波受激发射损耗显微镜光路装置，包括沿连续波激发光传播路径依次设置的第一声光调制器1、第一光纤耦合物镜3、第一单模光纤4、第一光纤准直器5、第一起偏器6、第一四分之一波片7、二色镜8、三色镜9和高数值孔径物镜10；

还包括沿连续波消激发光传播路径依次设置的第二声光调制器11、第二光纤耦合物镜13、第二单模光纤14、第二光纤准直器15、第二起偏器16、第二四分之一波片17和反射镜18。

本实施例中的第一声光调制器1与第一光纤耦合物镜3之间设有第一光阑2；

所述第二声光调制器11与第二光纤耦合物镜13之间设有第二光阑12。

连续波激发光传播路径指的是：连续波激发光经过第一声光调制器1后形成的1级衍射光束中心光线的传播路径；同理，连续波消激发光传播路径指的是：连续波消激发光经过第二声光调制器11后形成的1级衍射光束中心光线的传播路径。

本实施例中的连续波激发光和连续波消激发光由外部光源提供，且均为线偏振光；连续波激发光和连续波消激发光分别经过第一声光调制器1、第二声光调制器11后，均产生一系列的衍射光束，激发光与消激发光光路分别建立在所在光路的1级衍射光束中心光线的光路上。在激发光路中，光阑2阻挡了1级衍射光束之外的激发光的其他级衍射光束，随后激发光1级衍射光束经过第一光纤耦合物镜3进入第一单模光纤4进行空间滤波，再经过第一光纤准直器5准直成为平行光，然后平行光依次通过第一起偏器6、第一四分之一波片7、二色镜8与三色镜9后，最终由高数值孔径物镜10汇聚到焦面；在消激发光路中，第二光阑12阻挡掉1级衍射光束之外的消激发光的其他级衍射光束，随后消激发光1级衍射光束经过第二光纤耦合物镜13进入第二单模光纤14进行空间滤波、在光纤端面实现相位调制，再经过第二光纤准直器15准直成为平行光，然后平行光依次通过第二起偏器16、第二四分之一波片17、反射镜18后，在高数值孔径物镜10入瞳实现与激发光完全同轴，最终经过高数值孔径物镜10汇聚在焦面形成环形消激发光。焦面处样品的荧光信号将经过高数值孔径物镜10收集，穿过三色镜9，经过二色镜8反射到探测单元19。

本实施例利用第一光纤耦合物镜3与第一单模光纤4实现对连续波激发光1级衍射光束的空间滤波与光束整形；利用第二光纤耦合物镜13与第二单模光纤14实现对连续波消激发光1级衍射光束的空间滤波、光束整形以及消激发光相位调制。

激发光与消激发光1级衍射光束分别经过光路中的第一光纤耦合物镜3、第二光纤耦合物镜13汇聚到所在光路的第一单模光纤4、第二单模光纤14入射端面时，汇聚得到的激发光、消激发光光斑尺寸略大于第一模光纤4、第二单模光纤14的芯径，在保证激发光与消激发光能量最大程度传输的同时，确保所述第一模光纤4he第二单模光纤14滤除空间杂波，在出射端得到TM00模的激发光以及消激发光。

图2为图1中连续波消激发光光路中第二单模光纤14的出射端面结构示意图，即图1中A的局部放大图，如图2(a)所示，本实施例的第二单模光纤14的出射端面上设有圆形台阶状凸起，该圆形台阶状凸起的中心与第二单模光纤14的纤芯中心位于同一位置，如图2(b)所述圆形台阶状凸起的直径为第二单模光纤14的纤芯直径的0.707倍；

通过式(1)可得到圆形台阶状凸起的高度d：

d＝πλ/(n1-n0) (1)

式(1)中，λ为连续波消激发光的波长，n1为圆形台阶状凸起的折射率，n0为第二单模光纤14所处外部坏境的折射率。

其中，圆形台阶状凸起的材料可以为熔石英、高分子聚合物或氟化镁中的任意一种。

连续波消激发光通过圆形台阶状凸起后，波面较原始波面会产生π相位延迟，经过第二单模光纤14端面的圆形台阶状凸起调制，消激发光再经过第二准直器15准直，经过反射镜18以及三色镜9反射，进入高数值孔径物镜10，最终在焦平面上生成环形消激发光斑。其中，由第一单模光纤4和第二单模光纤14出射的激发光与消激发光分别经过第一光纤准直器5和第二光纤准直器15准直后成为平行光。

另外，第一起偏器6的偏振化方向与从第一准直器5出射的连续波激发光的主要偏振方向平行；所述第二起偏器16的偏振化方向与从第二准直器15出射的连续波消激发光的主要偏振方向平行。从而保证通过第一起偏器6的激发光和通过第二起偏器16的消激发光为线偏振光，且光能传递最大。

第一四分之一波片7的光轴与第一起偏器6的偏振化方向之间的夹角为45°；所述第二四分之一波片17的光轴与第二起偏器16的偏振化方向之间的夹角为45°。从而使激发光、消激发光的偏振态在高数值孔径物镜10入瞳处转化为圆偏振。

二色镜8用于对连续波激发光波段高透，且对样品的荧光信号波段高反；所述三色镜9用于对连续波激发光波段和样品的荧光信号波段高透，且对连续波消激发光波段高反。其中，高数值孔径物镜10、二色镜8与荧光信号探测单元19构成荧光信号共焦成像系统。

并且，三色镜9与连续波激发光主光轴的夹角为45°。在调节消激发光光束与激发光光束实现同轴时，三色镜9保持不动，只通过调节第二光纤准直器15的高低位置及俯仰角，配合调节反射镜18的俯仰角，实现消激发光经过三色镜9反射后光束与激发光完全同轴；所述高数值孔径物镜10为复消色差物镜，能实现激发光与消激发光汇聚到同一处空间位置。

Claims (10)

1.一种连续波受激发射损耗显微镜光路装置，其特征在于，包括沿连续波激发光传播路径依次设置的第一声光调制器(1)、第一光纤耦合物镜(3)、第一单模光纤(4)、第一光纤准直器(5)、第一起偏器(6)、第一四分之一波片(7)、二色镜(8)、三色镜(9)和高数值孔径物镜(10)；

还包括沿连续波消激发光传播路径依次设置的第二声光调制器(11)、第二光纤耦合物镜(13)、第二单模光纤(14)、第二光纤准直器(15)、第二起偏器(16)、第二四分之一波片(17)和反射镜(18)。

2.根据权利要求1所述的连续波受激发射损耗显微镜光路装置，其特征在于，所述第一声光调制器(1)与第一光纤耦合物镜(3)之间设有第一光阑(2)；

所述第二声光调制器(11)与第二光纤耦合物镜(13)之间设有第二光阑(12)。

3.根据权利要求1或2所述的连续波受激发射损耗显微镜光路装置，其特征在于，所述第二单模光纤(14)的出射端面上设有圆形台阶状凸起，该圆形台阶状凸起的中心与第二单模光纤(14)的纤芯中心位于同一位置，所述圆形台阶状凸起的直径为第二单模光纤(14)的纤芯直径的0.707倍。

4.根据权利要求3所述的连续波受激发射损耗显微镜光路装置，其特征在于，通过式(1)可得到圆形台阶状凸起的高度d：

d＝πλ/(n1-n0) (1)

式(1)中，λ为连续波消激发光的波长，n1为圆形台阶状凸起的折射率，n0为第二单模光纤(14)所处外部坏境的折射率。

5.根据权利要求4所述的连续波受激发射损耗显微镜光路装置，其特征在于，所述圆形台阶状凸起的材料可以为熔石英、高分子聚合物或氟化镁中的任意一种。

6.根据权利要求1或2所述的连续波受激发射损耗显微镜光路装置，其特征在于，所述连续波激发光和连续波消激发光均为线偏振光。

7.根据权利要求1或2所述的连续波受激发射损耗显微镜光路装置，其特征在于，所述第一起偏器(6)的偏振化方向与从第一准直器(5)出射的连续波激发光的主要偏振方向平行；

所述第二起偏器(16)的偏振化方向与从第二准直器(15)出射的连续波消激发光的主要偏振方向平行。

8.根据权利要求1或2所述的连续波受激发射损耗显微镜光路装置，其特征在于，所述第一四分之一波片(7)的光轴与第一起偏器(6)的偏振化方向之间的夹角为45°；

所述第二四分之一波片(17)的光轴与第二起偏器(16)的偏振化方向之间的夹角为45°。

9.根据权利要求1或2所述的连续波受激发射损耗显微镜光路装置，其特征在于，所述二色镜(8)用于对连续波激发光波段高透，且对样品的荧光信号波段高反；

所述三色镜(9)用于对连续波激发光波段和样品的荧光信号波段高透，且对连续波消激发光波段高反。

10.根据权利要求1或2所述的连续波受激发射损耗显微镜光路装置，其特征在于，所述三色镜(9)与连续波激发光主光轴呈45°夹角。