CN109752830A - 一种全光纤sted超分辨显微照明装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的是一种全光纤STED超分辨显微照明装置,该装置主要由激光器1、延时单元2、光束生成器3组成。其中,光束生成器3主要由一段双包层光纤4和偏振控制器5构成。光束生成器3可以把由激光器1发出的短波激光6和长波激光7分别转化为高斯形激发光8和中空环形损耗光9,由于生成的这两束光的光斑中心完全重合,并且后者经过延时单元2的延时后,这两束光先后照射到荧光样品10上,发生受激发射损耗(STED),激发出光斑极小的荧光11,最终分辨率不再受光的衍射所限制,从而打破衍射极限,实现全光纤STED超分辨显微照明。本发明的优点在于光束生成器的高度集成化,使得设备更加灵活稳定。

Description

一种全光纤STED超分辨显微照明装置
(一)技术领域
本发明涉及光纤光学技术和光学显微镜技术领域,尤其涉及一种全光纤受激发射损耗(STED)超分辨率显微照明成像装置。
(二)背景技术
现代生物学和材料学的发展对微观结构研究提出了越来越高的分辨率需求。受激发射损耗(STED)显微术是建立在激光聚焦显微术基础上的一种超分辨显微术,其成像速度相对较快,为生物医学和材料领域研究提供了新手段。在STED显微成像装置中需要两束激光照明,一束激光在物镜焦点处形成艾里斑,对荧光物质进行激发并发出荧光;另一束在物镜焦点处形成中央光强为零的圆环形光斑,使位于圆环上处于激发态的荧光物质损耗掉,不再发射荧光,只有位于圆环形焦斑中央暗区的荧光物质才能产生荧光,由于中央暗区的直径远小于衍射极限,故可获得超越光学分辨极限的图像。
实现超分辨STED显微成像的关键是如何形成具有超小尺寸的激发光斑和损耗光斑,而STED显微镜的分辨率主要由有效荧光光斑的大小损耗效果决定的。可以通过各种措施改善STED光在焦平面相干形成的损耗光斑的方式来改善STED的照明装置的稳定性。
STED显微成像技术多种多样。例如,中国专利CN211817464U提出了基于切向偏振的超分辨荧光显微装置,虽然获得良好的显微照明效果,但是实现这一效果需要复杂的光路、昂贵的精密仪器,且稳定性也不是很高。中国专利CN103617330A提出了基于超连续产生的宽带激光光源激发的超分辨STED显微成像装置,虽然改进了两激光同步调节的功能,实现良好的显微照明,但整体光路复杂。中国专利CN211910469073.3提出了一种全光纤型超分辨成像方法与装置,该装置利用光涡旋光纤和光栅型光纤光涡旋转换器来得到光涡旋损耗光,实现超分辨成像。
与在先技术相比,本发明提出了一种全光纤STED超分辨照明装置。该装置主要仅依靠一段双包层光纤就可实现高斯形激发光和中空环形损耗光的生成,从而极大地提高了器件的灵活性和稳定性。此外,本发明同样可以通过螺旋双包层光纤来实现光涡旋损耗光的生成。
(三)发明内容
本发明提供一种全光纤STED超分辨显微照明装置。该装置主要通过一段双包层光纤即可实现激发光和损耗光的生成,从而可以极大地提高了器件的灵活性与集成度,降低了成本和提升了装置的稳定性,使整个装置更加小巧、简单。
本发明的目的在是这样实现的:
该装置主要由激光器1、延时单元2和光束生成器3组成,而光束生成器3主要包含双包层光纤4和偏振控制器5,其中双包层光纤4由纤芯401、内包层402、外包层403构成。在双包层光纤4中,其纤芯401折射率最高,内包层402折射率次之,外包层403折射率最低。激光器1通过短波激光器101和长波激光器102同时分别发射短波激光6和长波激光7。一方面,短波激光6注入到双包层光纤4后被限制在纤芯401中单模传输,然后在光纤末端输出高斯形激发光8;另一方面,长波激光7经过延迟单元2延迟Δτ时间后注入到双包层光纤4后则被限制到内包层402中传输,并且激发高阶光纤模式,通过偏振控制器5的调节,最终在光纤末端输出中空环形损耗光9。在受激发射损耗(STED)照明过程中,高斯形激发光8到达荧光样品10表面使其发出荧光,同时,通过延时单元2延时后的中空环形损耗光9也到达荧光样品10表面,并且这两束光的光斑中心完全重合,使得大部分处于高斯形激发光斑外围部分的荧光物质通过光学非线性作用被强行回到基态抑制其发荧光11,随着中空环形损耗光9的光强增加,能发射荧光11的光斑越小,最终分辨率不再受光的衍射所限制,从而打破衍射极限,实现全光纤STED超分辨显微照明。
下面将详细阐述双包层光纤实现高斯形激发光束和中空环形损耗光束生成的基本原理。我们知道,当特定的荧光分子被比激发波长长的激光照射时,可以被强行猝灭回到基准态。基于这样的特性,可以用一束激发光使荧光物质发光的同时,用另外的高能量脉冲激光器发射一束紧挨着的、环型的、波长较长的激光将第一束光斑中大部分的荧光物质通过受激发射损耗过程猝灭,从而减少荧光光点的衍射面积,显著地提高了显微镜的分辨率。通过这样的物理过程可以有效的减少激发光的光斑大小,从而直接减少点扩散函数的半高宽来提高分辨率,这就是STED超分辨显微成像的基本原理。要实现这一目的,需要构造两束光束:一是高斯形激发光束,二是中空环形损耗光束。为此,本发明采用双包层光纤来生成这两束光。一方面,波长较短的激光可以直接在双包层光纤纤芯和内包层组成的波导结构中近似单模传输(见图2(a)),生成高斯形激发光束(见图2(c)和(f));另一方面,波长较长的激光可以在内包层与外包层组成的波导结构中少模传输,通过传导模式干涉(见图2(b)),最终形成中空环形损耗光(见图2(d)和(g))。特别的是,可以通过螺旋双包层光纤(见图3(a)和(b))来生成涡旋损耗光束,这种光束的中心存在光学奇点,本身就是一种中空环形损耗光。
(四)附图说明
图1是一种全光纤STED超分辨显微照明装置示意图。
图2是双包层光纤传输和输出的光场分布:(a)短波激发光在光纤中传输光场分布;(b)长波损耗光在光纤中传输光场分布;(c)高斯形激发光;(d)中空环形损耗光;(e)受抑制的荧光;(f)、(g)和(h)分别对应图(c)、(d)和(e)在X轴上的光场分布。
图3是扭转双包层光纤:(a)绕着光纤中轴扭转;(b)偏绕着平行于中轴的其他偏轴扭转
图4是双包层光纤预制棒制备示意图。
图5是双包层光纤拉制示意图。
图6是其他种类的双包层光纤:(a)内包层为三角形;(b)内包层为矩形;(c)内包层为五边形;(d)内包层为六边形。
(五)具体实施方式
下面结合实施例对本发明做更详细地描述:
结合图1-图2,激光器1通过短波激光器101和长波激光器102同时分别发射短波激光6和长波激光7。一方面,短波激光6通过透镜12准直并被半反半透镜13反射后,由透镜14收集注入到双包层光纤4。如图2(a)所示,注入的短波激光6在以纤芯401和内包层402构成的波导结构中单模传输,最后以高斯形激发光8的形式从光纤末端输出,图2(c)和(f)给出了输出激发光的光场分布图;另一方面,长波激光7经过延迟单元2延时Δτ后,经过透镜15准直并被反射镜16反射,然后经过半反半透镜13透射后由透镜14收集注入到双包层光纤4。如图2(b)所示,注入的长波激光7会被限制到内包层402中传输,并且激发高阶光纤模式,通过偏振控制器5的调节,最终在光纤末端输出中空环形损耗光9,图2(d)和(g)给出了输出损耗光的光场分布图。在受激发射损耗照明过程中,高斯形激发光8和延迟中空环形损耗光9通过透镜装置17先后到达荧光样品10表面,高斯形激发光8使样品发出荧光,延时Δτ时间后中空环形损耗光9也到达荧光样品10表面,并且这两束光的光斑中心完全重合,使得大部分处于高斯形激发光斑外围部分的荧光物质通过光学非线性作用被强行回到基态抑制其发荧光11,随着中空环形损耗光9的光强增加,能发射荧光11的光斑越小,最终分辨率不再受光的衍射所限制,从而打破衍射极限,实现全光纤STED超分辨显微照明。图2(e)和(h)给出了受抑制后的荧光11的光场分布图。对比图2(f)和(h)可看出,受抑制后的荧光11远小于激发光6的光场宽度,突破了衍射极限。
双包层光纤的制备过程有以下两个步骤(见图4-图5):
步骤1、光纤预制棒的制备(见图4)。(1)采用MCVD等工艺在纯石英管18内壁沉积外包层19得到含有内包层薄壁的中空环形预制棒,然后通过缩棒工艺制作成外包层预制棒20;(2)采用超声微加工技术,在外包层预制棒中心加工一个孔21,然后插入纤芯预制棒插件22,最后制备出双包层光纤预制棒23;
步骤2、光纤拉丝(见图5)。将制备好的双包层光纤预制棒23放置在光纤拉丝塔上,并固定在预制棒夹具24上,双包层光纤预制棒23经过加热炉25加热熔融,在绞盘26卷绕牵引下,拉制成双包层光纤4,同时通过激光测径检测仪27检测双包层光纤的直径大小,并通过涂覆固化装置28对光纤进行涂覆保护。
可选地,双包层光纤4的内包层402形状除了圆形以外还可以是三角形、四边形或其他多边形的一种(见图6)。
可选地,双包层光纤4除了非扭转光纤外还可以是绕着中轴扭转或者是绕着平行于中轴的其他偏轴扭转形成的螺旋光纤(见图3)。特别地,利用螺旋双包层光纤可生成光涡旋损耗光。
可选地,双包层光纤4的纤芯401及内包层402的折射率分布可以是阶跃的也可以是渐变的。

Claims (6)

1.一种全光纤STED超分辨显微照明装置,其特征在于主要由激光器1(由短波激光器101和长波激光器102构成)、延时单元2、光束生成器3组成。其中,光束生成器3主要由一段双包层光纤4和偏振控制器5构成,该双包层光纤由纤芯401、内包层402、外包层403组成,并且纤芯401的折射率最高,内包层402的折射率次之,外包层403折射率最低。激光器1通过短波激光器101和长波激光器102同时分别发射短波激光6和长波激光7。一方面,短波激光6注入到双包层光纤4后被限制在纤芯401中单模传输,然后在光纤末端输出高斯形激发光8;另一方面,长波激光7经过延迟单元2延迟Δτ时间后注入到双包层光纤4后则被限制到内包层402中传输,并且激发高阶光纤模式,通过偏振控制器5的调节,最终在光纤末端输出中空环形损耗光9。在受激发射损耗(STED)照明过程中,高斯形激发光8到达荧光样品10表面使其发出荧光,同时,通过延时单元2延时后的中空环形损耗光9也到达荧光样品10表面,并且这两束光的光斑中心完全重合,使得大部分处于高斯形激发光斑外围部分的荧光物质通过光学非线性作用被强行回到基态抑制其发荧光11,随着中空环形损耗光9的光强增加,能发射荧光11的光斑越小,最终分辨率不再受光的衍射所限制,从而打破衍射极限,实现全光纤STED超分辨显微照明。
2.根据权利要求1所述的一种全光纤STED超分辨显微照明装置,其特征是:所述的双包层光纤的制备方法如下:(1)采用MCVD等工艺在纯石英管内壁沉积外包层,然后通过缩棒工艺制作成外包层预制棒;(2)采用超声微加工技术,在外包层预制棒中心打孔,然后插入纤芯预制棒插件,形成双包层光纤预制棒;(3)将制备好的光纤预制棒放置于拉丝塔上进行拉丝,最终得到双包层光纤。
3.根据权利要求1所述的一种全光纤STED超分辨显微照明装置,其特征是:所述的双包层光纤的内包层形状可以是圆形、三角形、四边形或其他多边形中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种全光纤STED超分辨显微照明装置,其特征是:所述的双包层光纤可以是非扭转光纤也可以是绕着光纤中轴扭转或是绕着光纤平行于中轴的其他偏轴扭转形成的螺旋光纤。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的一种全光纤STED超分辨显微照明装置,其特征是:所述的双包层光纤的纤芯和内包层的折射率分布可以为阶跃折射率分布也可以是渐变折射率分布。
6.根据权利要求4所述的一种全光纤STED超分辨显微照明装置,其特征是:所述的螺旋光纤的螺距可以是均匀也可以是非均匀的。
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Assignor: GUILIN University OF ELECTRONIC TECHNOLOGY

Contract record no.: X2023980045912

Denomination of invention: A All Fiber STED Super Resolution Microscopic Illumination Device

Granted publication date: 20210608

License type: Common License

Record date: 20231108

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