CN111239997A - 一种基于交叉相位调制的快速对焦暗场成像装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于交叉相位调制的快速对焦暗场成像装置及方法，所述装置包括：光源系统、交叉相位调制系统和显微成像系统，所述光源系统产生激光束并输出至交叉相位调制系统，所述交叉相位调制系统将光源系统输入的激光束分成泵浦激光束和探测激光束，所述泵浦激光束和探测激光束进行交叉相位调制后产生空心光束，并输出至显微成像系统，所述显微成像系统基于所述空心光束进行暗场成像。本发明基于交叉相位调制技术实现快速对焦暗场成像，利用探测激光束在交叉相位调制中产生的空心光束代替现有透射式暗场成像装置中的挡光板，提高了暗场成像光强度，并通过泵浦光功率调节空心光束尺寸来进行快速对焦，革新了现有暗场成像装置，市场前景广阔。

Description

一种基于交叉相位调制的快速对焦暗场成像装置及方法

技术领域

本发明涉及显微成像领域，具体涉及一种暗场显微成像装置与方法，尤其是一种基于交叉相位调制的快速对焦暗场成像装置及方法。

背景技术

光学显微镜是研究微观世界的重要工具。显微镜根据成像方式可以分为光学宽视场显微镜，共聚焦显微镜，体视显微镜等。在光学宽视场显微镜中，根据所需要观察标本的结构特点，人们又发展了明场、暗场、偏光和荧光成像等技术。利用明场显微可以对大部分目标进行观察，但是有些样品因为其折射率和周围环境相近，使用明场显微难以观察，而暗场显微技术可以很好地解决这个问题。暗场显微的原理是阻止透过标本的光直接进入物镜，只让由颗粒散射的光线进入物镜。这样，使物镜形成的像面是一个暗背景上分布着明亮颗粒的景象。暗场显微成像能够增强图像的对比度。作为一种有效的微观样品的观察检测手段，暗场显微技术被广泛应用于各个领域。

暗场显微的照明方式分为透射式照明和反射式照明，透射式照明是使用一个圆形遮光板遮住照明光束的中间部分，形成一个空心的锥形聚焦光束。如附图1所示，显微镜物镜位于光束的空心位置处，如果照明光束的发散角大于显微物镜的孔径角，那么照明光不会直接进入物镜，而只有被样品散射的光才会通过物镜成像。这种方法简单易行，但是遮光板挡住了大部分的照明光，所以光通量整体透过率很低，尤其是照射到样品上的实际光量很少。另一种反射式照明，如附图2所示，暗场反射镜面安装在物镜外壳靠近样品的位置，光线经过暗场反射镜面以超出物镜数值孔径的角度入射在样品上，标本发出的衍射或者杂散光由物镜收集后成像。反射式照明的优点是照明光完全照射在样品上，光量相对充足，但反射式照明结构复杂，实现方法较困难。本专利提供上述背景信息的目的是为了更好的理解本专利的技术出发点，但并不意味着上述信息可构成针对本专利的现有技术。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种全新的基于交叉相位调制的快速对焦暗场成像装置及方法，本发明通过使泵浦激光束作用于非线性介质如乙醇溶液来改变乙醇溶液的折射率分布，进而改变探测激光束在乙醇溶液出射端面处的相位分布，最终使得出射的探测激光束的远场光强重新分布，得到由中心暗斑和同心圆组成的空心光束，其中产生的空心光束的尺寸可以通过调节泵浦光的强度进行调控，这样本发明创新的利用产生的空心光束取代透射式照明中的挡光板。此外，本发明创新利用非球面透镜将空心光束聚焦在样品的表面，且针对不同厚度的样品可以通过调节空心光束的大小对其样品的不同深度处进行快速的聚焦，最终由样品散射的光束经过物镜的收集后可通过CMOS摄像机对样品形貌进行观察。本发明所述装置可通过对泵浦光功率的调节，获得不同位置处样品颗粒的成像情况，从而实现对样品的快速对焦暗场成像，革新了现有的暗场成像装置，具有广阔的推广应用前景。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种基于交叉相位调制的快速对焦暗场成像装置，包括：光源系统、交叉相位调制系统和显微成像系统，所述光源系统产生激光束并输出至交叉相位调制系统，所述交叉相位调制系统将光源系统输入的激光束分成泵浦激光束和探测激光束，所述泵浦激光束和探测激光束进行交叉相位调制后产生空心光束，并输出至显微成像系统，所述显微成像系统基于所述空心光束进行暗场成像。

进一步的根据本发明所述的快速对焦暗场成像装置，其中所述光源系统包括第一激光器1，所述第一激光器1为产生线偏振高斯激光束的连续可调谐环形钛宝石激光器。

进一步的根据本发明所述的快速对焦暗场成像装置，其中所述交叉相位调制系统包括：第一偏振分光立方体2、聚焦透镜3、第一半波片4、第二偏振分光立方体5、交叉相位调制单元6、第一反射镜9、第二半波片8、第二反射镜10和第三偏振分光立方体7，其中所述第一偏振分光立方体2、聚焦透镜3、第一半波片4、第二偏振分光立方体5、交叉相位调制单元6和第三偏振分光立方体7依次设于同一直线光路上，所述第一反射镜9、第二半波片8、第二反射镜10依次设于另一平行直线光路上；且其中由所述第一偏振分光立方体2、聚焦透镜3、第一半波片4和第二偏振分光立方体5组成泵浦光路单元，用于产生沿第一方向传输的所述泵浦激光束，由所述第一偏振分光立方体2、第一反射镜9、第二半波片8、第二反射镜10和第三偏振分光立方体7组成探测光路单元，用于产生与第一方向反向共线传输的所述探测激光束，所述交叉相位调制单元6位于所述第二偏振分光立方体5和第三偏振分光立方体7之间。

进一步的根据本发明所述的快速对焦暗场成像装置，其中所述第一偏振分光立方体2、第二偏振分光立方体5和第三偏振分光立方体7透射具有水平偏振态的激光束、并反射具有竖直偏振态的激光束；入射到交叉相位调制单元6中的泵浦激光束具有水平偏振态，入射到交叉相位调制单元6中的探测激光束具有竖直偏振态；所述第一半波片4和第二半波片8能够对偏振光的偏振方向进行旋转调节；通过第一半波片4和第二偏振分光立方体5调节入射到交叉相位调制单元6中的泵浦激光束的功率，通过第二半波片8和第三偏振分光立方体7调节入射到交叉相位调制单元6中的探测激光束的功率。

进一步的根据本发明所述的快速对焦暗场成像装置，其中所述探测光路单元中，由所述第一偏振分光立方体2、第一反射镜9、第二半波片8、第二反射镜10和第三偏振分光立方体7组成U型探测光路，其中所述第一反射镜9设置于第一偏振分光立方体2的反射输出端，并将第一偏振分光立方体2反射输出的探测激光束垂直反射至第二反射镜10，所述第二反射镜10将第一反射镜9反射的探测激光束垂直反射至第三偏振分光立方体7的光束入射端，所述第二半波片8设置于第一反射镜9和第二反射镜10之间。

进一步的根据本发明所述的快速对焦暗场成像装置，其中所述泵浦光路单元中，由所述第一偏振分光立方体2、聚焦透镜3、第一半波片4和第二偏振分光立方体5组成直线泵浦光路，所述聚焦透镜3和第一半波片4设置于第一偏振分光立方体2和第二偏振分光立方体5之间，且第一半波片4位于聚焦透镜3的正后方，所述聚焦透镜3用于将泵浦激光束的腰斑聚焦于交叉相位调制单元6中。

进一步的根据本发明所述的快速对焦暗场成像装置，其中所述交叉相位调制单元6采用装有非线性介质的比色皿，所述探测激光束和泵浦激光束以共线反向传输的方式共同作用于所述比色皿中的非线性介质，所述泵浦激光束通过非线性作用使非线性介质的折射率分布发生改变，所述探测激光束经过非线性介质后在其出射端面发生相移，并在出射远场形成包括中心暗斑和同心圆环的所述空心光束，且通过改变入射到非线性介质中泵浦激光束的功率来改变空心光束的尺寸，所述空心光束输出至显微成像系统。

进一步的根据本发明所述的快速对焦暗场成像装置，其中泵浦激光束作用于比色皿中的非线性介质时，非线性介质的折射率分布为：

n＝n₀+n₂I₁，其中n为非线性介质的总折射率，n₀为线性折射率，I₁为泵浦激光束的光强，n₂为热致非线性折射系数，且

其中dn/dT为非线性介质折射率对温度的依赖关系，α为吸收系数，κ为非线性介质的热传导系数，ω_p为泵浦激光束的半径；

泵浦激光束作用于比色皿中的非线性介质时，在非线性介质出射端面发生的附加相移为：

其中以非线性介质出射端面为坐标原点，探测激光束传输方向为z轴正方向，I₁(r,z)为泵浦激光束的光强分布，I₁₀为泵浦激光束的中心光强，k₀为波矢，ω_1p(z)为泵浦激光束在不同位置处的光斑半径，ω₁₀为泵浦激光束的束腰半径，r为径向坐标，l为比色皿中非线性介质的有效作用长度。

进一步的根据本发明所述的快速对焦暗场成像装置，其中所述显微成像系统包括：扩束镜11、非球面透镜12、载物台13、载玻片14、显微物镜15、摄像机和计算机17，所述扩束镜11正对交叉相位调制系统的空心光束输出端设置，所述非球面透镜12设置于所述扩束镜11的正后方，所述显微物镜15设置于所述非球面透镜12的正后方，所述载物台13设置于所述非球面透镜12和显微物镜15之间，所述载玻片14设置于所述载物台13上，所述载玻片14靠近或位于所述非球面透镜12的焦点位置，通过所述扩束镜11和非球面透镜12将空心光束的出射发散角调节到大于所述显微物镜15的孔径角，所述摄像机设置于所述显微物镜15后方，所述计算机17连接于所述摄像机。

一种基于本发明所述的快速对焦暗场成像装置进行的快速对焦暗场成像方法，包括以下步骤：

步骤一、从第一激光器1输出的激光束透过第一偏振分光立方体2后获得一束水平偏振的泵浦激光束，所述泵浦激光束依次通过聚焦透镜3和第一半波片4后入射到第二偏振分光立方体5，透过所述第二偏振分光立方体5的泵浦激光束聚焦于交叉相位调制单元6；

步骤二、从第一激光器1输出的激光束经由第一偏振分光立方体2反射后获得一束竖直偏振的探测激光束，所述探测激光束经第一反射镜9和第二反射镜10反射后入射到第三偏振分光立方体7，期间经过第二半波片8，探测激光束经第二偏振分光立方体7反射后入射到交叉相位调制单元6中，调节探测激光束和泵浦激光束的光路使得入射到所述交叉相位调制单元6中的探测激光束与泵浦激光束的传播方向相反且为共线传播；所述探测激光束与泵浦激光束在交叉相位调制单元6中发生交叉相位调制而产生的空心光束入射到第二偏振分光立方体5，经第二偏振分光立方体5反射后进入扩束镜11，并依次通过扩束镜11、非球面透镜12和显微物镜后，进入摄像机；

步骤三、旋转第一半波片4动态调整泵浦激光束入射到交叉相位调制单元6中的功率强度，并旋转第二半波片8将探测激光束入射到交叉相位调制单元6中的功率强度调节到合适值，直至摄像机上出现明显的空心光束；

步骤四、调整非球面透镜12的位置使非球面透镜出射的空心光束的发散角大于显微物镜15的孔径角，当在摄像机中看到只有一个亮点的暗背景时，即可确定此时发散角已经大于孔径角；

步骤五、将样品放置在载玻片14上，由摄像机得到样品图像；

步骤六、通过旋转第一半波片调节泵浦激光束的功率，进而实现对空心光束尺寸的调节，实现对样品的快速对焦暗场成像。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1)、本发明提出一种全新的快速对焦暗场成像装置和快速对焦暗场成像方法，首创的基于交叉相位调制技术实现快速对焦暗场成像，通过泵浦激光束改变非线性介质的折射率分布，进而使得探测激光束在通过折射率分布改变的非线性介质后产生空心光束，以此来代替现有透射式照明中的挡光板，同时不会对照明光强度造成影响，革新了现有的暗场成像装置；

2)、本发明所述快速对焦暗场成像装置基于非线性介质的交叉相位调制技术实现，使得可以通过改变泵浦光强度来改变空心光束的尺寸，进而能够实现对样品的快速对焦，这是现有透射式和反射式暗场成像装置所不具有的；

3)、本发明所述快速对焦暗场成像装置创新的组合使用空心光束、扩束镜和非球面透镜作为聚光装置，使得显微成像系统的光透过率很高，并且非球面透镜的发散角较大，有利于物镜对样品散射进行高质量光成像；

4)、本发明所述的快速对焦暗场成像装置属于对现有暗场成像装置的重大突破，同时还具有结构简单、操作方便、设计合理、成本低等独特有点，具有广阔的市场推广应用前景。

附图说明

附图1为现有透射式照明暗场显微装置的照明光路原理图；

附图2为现有反射式照明暗场显微装置的照明光路原理图；

附图3为本发明所述基于交叉相位调制的快速对焦暗场成像装置的组成结构示意图；

图中各附图标记说明：

1、第一激光器；2、第一偏振分光立方体；3、聚焦透镜；4、第一半波片；5、第二偏振分光立方体；6、交叉相位调制单元；7、第三偏振分光立方体；8、第二半波片；9、第一反射镜；10、第二反射镜；11、扩束镜；12、非球面透镜；13、载物台；14、载玻片；15、显微物镜；16、CMOS摄像机；17、计算机。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案进行详细的描述，以使本领域技术人员能够更加清楚的理解本发明，但并不因此限制本发明的保护范围。

本发明提出一种基于交叉相位调制的快速对焦暗场成像装置，整体包括：光源系统、交叉相位调制系统和显微成像系统。

具体的所述光源系统包括第一激光器1，用于提供激光束输出，所述第一激光器1输出的激光束为线偏振高斯激光束，可分光为水平偏振态和竖直偏振态。优选的所述第一激光器1为连续可调谐的环形钛宝石激光器，输出波长调谐范围为740nm-850nnm，功率优选为600mw。所述第一激光器产生的激光束的波长处于交叉相位调制单元的吸收波长处。

所述交叉相位调制系统用于产生尺寸可控的空心光束，包括泵浦光路单元、探测光路单元和交叉相位调制单元，结合附图3所示，所述交叉相位调制系统具体包括第一偏振分光立方体2、聚焦透镜3、第一半波片4、第二偏振分光立方体5、交叉相位调制单元6、第一反射镜9、第二半波片8、第二反射镜10和第三偏振分光立方体7。其中所述第一偏振分光立方体2、聚焦透镜3、第一半波片4、第二偏振分光立方体5组成泵浦光路单元，所述第一偏振分光立方体2、第一反射镜9、第二半波片8、第二反射镜10和第三偏振分光立方体7组成探测光路单元，所述交叉相位调制单元6采用装有乙醇的比色皿，乙醇为无水乙醇，作为与激光束进行非线性作用的光学介质。来自泵浦光路单元的泵浦激光束和来自探测光路单元的探测激光束共线反向入射至比色皿的无水乙醇中，并在其中发生基于交叉相位调制的非线性作用而产生尺寸可控的空心光束，所产生的空心光束由第二偏振分光立方体5反射输出至显微成像系统。

所述光源系统的第一激光器1分别与所述泵浦光路单元和探测光路单元耦合产生共线反向传输的泵浦激光束和探测激光束，并入射至交叉相位调制单元中，具体的所述第一激光器1、第一偏振分光立方体2、聚焦透镜3、第一半波片4、第二偏振分光立方体5和交叉相位调制单元6依次设置于同一直线光路上，所述第一偏振分光立方体2、第一反射镜9、第二半波片8、第二反射镜10和第三偏振分光立方体7依次设置于同一U形光路上，其中各光学元件的光学特性和光路设置位置如下：

所述第一偏振分光立方体2设置于第一激光器1的正后方，其光学特性为：基于光束偏振态的不同进行光束分光，具体的所述第一偏振分光立方体2透射水平偏振方向的光束，并反射竖直偏振方向的光束，通过第一偏振分光立方体2将第一激光器1输出激光束中的水平偏振分量以偏振分光方式耦合到泵浦光路单元中，将第一激光器输出激光束中的竖直偏振分量以偏振分光方式耦合到探测光路单元中，具体的第一激光器1输出激光束入射到第一偏振分光立方体2后，透过第一偏振分光立方体2的激光束具有水平偏振态，该水平偏振态激光束作为泵浦激光束；第一激光器1输出激光束入射到第一偏振分光立方体2后被第一偏振分光立方体2垂直反射的激光束具有竖直偏振态，该竖直偏振态激光束作为探测激光束。

所述聚焦透镜3设置于第一偏振分光立方体2的透射分光输出端的正后方，并将来自第一偏振分光立方体2的泵浦激光束聚焦至装有乙醇溶液的比色皿中；优选的所述聚焦透镜3的焦距为200mm。

所述第一半波片4设置于所述聚焦透镜3的正后方，半波片属于本领域熟知的光学元件，可以对偏振光进行旋转。因为线偏振光垂直入射到半波片，透射光仍为线偏振光，假如入射时振动面和晶体主截面之间的夹角为θ，则透射出来的线偏振光的振动面从原来的方位转过2θ角。本发明中通过旋转半波片来调节光功率，基于半波片的光学特性，通过旋转第一半波片4能够调整第一偏振分光立方体2透射输出的泵浦激光束的线偏振方向，使其偏振方向偏离水平方向，进而使得该泵浦激光束经第二偏振分光立方体5再次分出的水平偏振方向的光束强度(功率)得到调节(减小)，因此通过旋转调节第一半波片4并结合第二偏振分光立方体5能够单独对入射到叉相位调制单元6中的泵浦激光束的功率进行调节。

所述第二偏振分光立方体5设置于第一半波片4的正后方，光学特性为基于光束偏振态的不同进行光束分光，具体的所述第二偏振分光立方体2透射水平偏振态的光束，并反射竖直偏振态的光束。在光路中的作用是使具有水平偏振分量的泵浦激光束透射输出至叉相位调制单元6中，并能够与第一半波片4协同作用调节入射到叉相位调制单元6中的泵浦激光束功率，同时所述第二偏振分光立方体5能够使基于交叉相位调制产生的具有竖直偏振态的空心光束反射输出至显微成像系统中。

所述第一反射镜9为直角反射镜，面向第一偏振分光立方体2的反射分光输出端设置，并对第一偏振分光立方体2输出的竖直偏振光提供90°的反射。

所述第二反射镜10为直角反射镜，所述第二反射镜10的反射面与第一反射镜9的反射面相互垂直，来自第一反射镜9的反射光束入射至第二反射镜10的反射面，并经第二反射镜的反射面垂直反射(90°反射)至第三偏振分光立方体7。

所述第二半波片8设置于第一反射镜9和第二反射镜10之间，其作用于第一半波片作用类似，通过旋转第二半波片8能够调整第一偏振分光立方体2反射输出的探测激光束的线偏振方向，使其偏振方向偏离竖直方向，进而使得该探测激光束经第三偏振分光立方体7再次分出的竖直偏振方向的光束强度(功率)得到调节(减小)，因此通过旋转调节第二半波片8并结合第三偏振分光立方体7能够单独对入射到叉相位调制单元6中的探测激光束的功率进行调节。

所述第三偏振分光立方体7的光束输入端正对第二反射镜10的反射输出端，且所述第三偏振分光立方体7的反射输出端正对所述第二偏振分光立方体5的透射输出端，所述第三偏振分光立方体7的光学特性为基于光束偏振态的不同进行光束分光，具体的所述第三偏振分光立方体7透射水平偏振态的光束，并垂直反射竖直偏振态的光束。所述第三偏振分光立方体7在光路中的作用是将第二反射镜10反射输出的竖直偏振的探测激光束向着第二偏振分光立方体5的透射输出端反射输出，从而经由第三偏振分光立方体7反射输出的竖直偏振探测激光束与第二偏振分光立方体5透射输出的水平偏振泵浦激光束达到共线反向传输，并以共线反向方式共同入射到交叉相位调制单元6中；同时所述第三偏振分光立方体7对来自第二偏振分光立方体5的水平偏振泵浦激光束提供透射输出，优选的可在透射输出端设置光线收集器。

所述交叉相位调制单元6采用装有非线性介质(优选为无水乙醇(纯度>99％))的比色皿，并设置于第二偏振分光立方体5的透射输出端和第三偏振分光立方体7的反射输出端之间，经第二偏振分光立方体5透射输出的具有水平偏振态的泵浦激光束和经第三偏振分光立方体7反射输出的具有竖直偏振态的探测激光束共同入射至装有乙醇的比色皿中，且泵浦激光束和探测激光束在装有乙醇的比色皿中反向共线传输。泵浦激光束和探测激光束在无水乙醇中发生交叉相位非线性调制作用：交叉相位非线性调制是指当两个甚至多个相同或不同频率的光场同时作用于非线性介质时，其中一种较强光场将会引起非线性介质折射率的分布发生变化，进而使得其他光场的光束在通过该非线性介质时会发生非线性相移，以达到利用较强光场对其他光场的交叉相位调制目的。具体对本发明而言，当较强的泵浦激光束作用于非线性介质乙醇时引起乙醇折射率分布发生改变，使得探测激光束在入射到乙醇溶液出射端面处的相位分布发生改变(相移)，最终使得携带了非线性相移的探测激光束的远场出射光强重新分布，得到由中心暗斑和同心圆组成的空心光束，对应于中心暗斑相当于代替了现有技术中的挡光板，保证了可以实现暗场成像，而且通过调节泵浦激光束的强度能够调节乙醇折射率分布的改变程度，进而达到对探测激光束相移程度的调控，最终反映在对产生的空心光束尺寸的调控，同时利用泵浦激光束和探测激光束共线反向传输使得泵浦激光束经非线性相移而产生的空心光束同样沿与泵浦激光束相反的方向传输，很好的实现了与泵浦激光束的分离输出。

下面具体给出泵浦激光束和探测激光束在乙醇溶液中发生的非线性交叉相位调制的原理过程。理论上，当激光束通过非线性介质时(这里为乙醇)，非线性介质会吸收激光的能量，导致介质的局部加热升温，产生温度梯度，从而导致热扩散。紧接着因为光波在介质中传播从而导致介质的密度分布发生变化，最终改变了折射率。

在稳态条件下，热致非线性折射系数n₂由如下公式表示：

其中dn/dT为给定介质的折射率对温度的依赖关系，α为吸收系数，κ为给定介质的热传导系数，ω_p为光束的半径。

考虑到热致非线性过程，介质的折射率对光强的依赖特性如下公式表示：n＝n₀+n₂I，I＝I₁+I₂ (2)。

其中n为总折射率，n₀为线性折射率，I为总光强，I₁为泵浦激光光强，I₂为探测激光光强。

因为相比于泵浦激光，探测激光的功率很弱，所以可以忽略探测激光束对整个过程的影响，所以可以得到：n＝n₀+n₂I₁ (3)。

此时，当探测激光束经过非线性介质乙醇时，在介质的出射面会产生附加相移。假设探测光传输方向为正方向即z轴，介质的右端面为坐标原点。介质出射端面处，因为非线性折射率导致的附加相移由如下公式表示：

其中I₁(r,z)为泵浦光的光强分布，I₁₀为泵浦光的中心光强，k₀为波矢，ω_1p(z)为泵浦光不同位置处的光斑半径，ω₁₀为泵浦光的束腰半径，r为径向坐标，l为样品池的有效长度。

因此，透过非线性介质的探测光的光电场复振幅E₂(r,z)可表示为：

其中E20为入射探测光的光电场的复振幅，R(z)为对应位置的波前曲率半径。

因为在泵浦光对探测光相移调制的过程中，起作用的主要是泵浦光的焦点处，所以公式4可近似为

其中

基于上述原理可知产生空心光束的现象是由于热致非线性效应导致的交叉相位调制。泵浦光激光通过非线性介质时，导致介质的折射率发生变化，当探测光经过非线性介质时，在介质的出射面会产生负的横向附加相移。因为携带附加相移，探测光在远场便会将原来入射时的高斯光束分布转化为空心光束。同时上述折射率及相移分布公式中均与泵浦光束强度相关，进而能够通过调节泵浦激光束强度实现对探测激光束产生的空心光束尺寸的调节。

所述的显微成像系统包括扩束镜11、非球面透镜12、载物台13、载玻片14、显微物镜15、CMOS摄像机16和计算机17，如附图3所示，其中所述扩束镜11正对所述第二偏振分光立方体5的反射输出端设置，泵浦激光束和探测激光束在比色皿中通过交叉相位调制产生的具有竖直偏振态的空心光束被第二偏振分光立方体5反射后输出至扩束镜11，在所述扩束镜11的正后方设置有非球面透镜12。通过所述扩束镜11和非球面透镜12来调节空心光束的出射发散角，使空心光束的出射发散角大于所选用显微物镜15的孔径角，确保暗场成像。具体的调节空心光束出射发散角的方法是：根据显微物镜15的孔径角选择好扩束镜11的扩束比例和非球面透镜12的焦距，将产生的空心光束依次通过所述扩束镜11和非球面透镜12，调整非球面透镜12的位置使得非球面透镜12输出的空心光束的出射发散角大于显微物镜15的孔径角，如附图3所示，优选的通过扩束镜后，空心光束的半径约为2～3cm。所述载玻片14设置于所述非球面透镜12的光束输出端后方，所述载玻片14设置于所述载物台13，待成像样品设置于载玻片14上，且待成像样品在载玻片14上位于非球面透镜12输出光束的焦点附近，这样经非球面透镜12聚焦于载玻片表面的空心光束在经过样品后发散输出。所述显微物镜15的光束输入端正对载玻片上的样品设置，且显微物镜15相对于载玻片的输入孔径角小于经载玻片后空心光束的出射发散角，这样空心光束的中心暗场起到了相当于现有透射式照明中挡光板的作用，但是却避免了挡光板对照明光强的削弱作用，同时空心光束较大的出射发散角保证了进入显微物镜的有效光束为样品颗粒散射光束，进而提高了暗场成像质量。此外利用非球面透镜将空心光束聚焦在样品的表面，且针对不同厚度的样品，可以通过调节泵浦光强度来调节空心光束的大小，进而对样品的不同深度处进行快速的聚焦，实现了对样品的快速对焦暗场成像。所述CMOS摄像机16正对显微物镜15的光束输出端设置，所述计算机17连接于所述CMOS摄像机16，样品经过显微物镜成像后进入CMOS摄像机实时记录。

本发明进一步提出一种基于交叉相位调制的快速对焦暗场成像方法，也就是本发明所述快速对焦暗场成像装置的具体操作实施方法，包括以下步骤：

步骤一、从第一激光器1输出的线偏振高斯激光束透过第一偏振分光立方体2获得一束水平偏振的泵浦激光束，所述泵浦激光束依次通过聚焦透镜3和第一半波片4后入射到第二偏振分光立方体5，透过所述第二偏振分光立方体5的泵浦激光束聚焦于装有无水乙醇的比色皿中；

步骤二、从第一激光器1输出的激光束经由第一偏振分光立方体2反射后获得一束竖直偏振的探测激光束，该探测激光束经第一反射镜9和第二反射镜10反射后入射到第三偏振分光立方体7，期间经过第二半波片8，探测激光束经第二偏振分光立方体7垂直反射后入射到装有无水乙醇的比色皿，通过调试探测激光束和泵浦激光束的光路使得入射到所述比色皿的探测激光束与泵浦激光束的传播方向相反且为共线传播；泵浦激光束作用于比色皿中无水乙醇并基于非线性效应改变无水乙醇的折射率分布，进而探测激光束在穿过折射率分布发生改变的无水乙醇后，探测激光束在乙醇出射端面处的相位分布发生相应改变，最终使得比色皿出射的探测激光束的远场光强重新分布，得到由中心暗斑和同心圆组成的空心光束，所产生的该空心光束具有竖直偏振态并沿着探测激光束的传输方向入射到第二偏振分光立方体5，经第二偏振分光立方体5反射后进入扩束镜11，空心光束依次通过扩束镜11和非球面透镜12后进入显微物镜，并被CMOS摄像机16记录；

步骤三、通过旋转第一半波片4动态调整泵浦激光束入射到比色皿内无水乙醇中的功率强度，并通过旋转第二半波片8将探测激光束入射到比色皿内无水乙醇中的功率强度调节到合适值(固定)，直至CMOS摄像机16上出现明显的空心光束。

步骤四、进一步的调整非球面透镜12的位置使非球面透镜出射光线的发散角大于显微物镜15的孔径角，当在CMOS摄像机16中看到只有一个亮点的暗背景，即可确定此时发散角已经大于孔径角。

步骤五、然后将样品放置在非球面透镜的焦点附近的载玻片14上，用显微物镜15观察样品，再经由CMOS摄像机16和计算机17得到样品观察的图像。

步骤六、确定非球面透镜12、载物台13、显微物镜15和CMOS摄像机16的位置之后，通过调节第一半波片4的角度来调节泵浦激光束的功率，进而调节空心光束尺寸，最终实现对样品的快速对焦，并实时观察CMOS中样品成像情况(由前述公式3可知，非线性折射率随泵浦光强的增加而增加，由公式4可知，泵浦光功率增加时，非线性附加相移也会增加，对应空心光束的中间暗斑的尺寸也会相应增加。因此通过旋转第一半波片调节泵浦激光束的功率能够对探测激光束经非线性作用产生的空心光束的尺寸进行调节，而空心光束尺寸的改变会使得聚焦到样品上的光通量发生变化，进而实现样品池中不同位置的样品成像，达到不用移动样品池，即可进行不同位置处的样品成像，实现了暗场成像下的快速对焦。

综上本发明提出一种全新的快速对焦暗场成像装置和快速对焦暗场成像方法，首创的基于交叉相位调制技术实现快速对焦暗场成像，通过泵浦激光束改变非线性介质的折射率，进而使得探测激光束在通过折射率改变的非线性介质后产生空心光束，以此来代替现有透射式照明中的挡光板，同时不会对暗场光强造成影响，同时基于非线性介质的交叉相位调试使得可以通过改变泵浦光强度来改变空心光束的尺寸，进而实现对样品的快速对焦，同时创新的组合使用空心光束、扩束镜和非球面透镜作为聚光装置，使得显微成像系统的光透过率很高，并且非球面透镜的发散角较大，有利于物镜对样品散射进行高质量光成像，因此本发明所述的快速对焦暗场成像装置属于对现有暗场成像装置的重大突破，具有广阔的市场推广应用前景。

以上所述，仅是本发明的较佳实施方案，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施方案所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于交叉相位调制的快速对焦暗场成像装置，其特征在于，包括：光源系统、交叉相位调制系统和显微成像系统，所述光源系统产生激光束并输出至交叉相位调制系统，所述交叉相位调制系统将光源系统输入的激光束分成泵浦激光束和探测激光束，所述泵浦激光束和探测激光束进行交叉相位调制后产生空心光束，并输出至显微成像系统，所述显微成像系统基于所述空心光束进行暗场成像。

2.根据权利要求1所述的快速对焦暗场成像装置，其特征在于，所述光源系统包括第一激光器(1)，所述第一激光器(1)为产生线偏振高斯激光束的连续可调谐环形钛宝石激光器。

3.根据权利要求1所述的快速对焦暗场成像装置，其特征在于，所述交叉相位调制系统包括：第一偏振分光立方体(2)、聚焦透镜(3)、第一半波片(4)、第二偏振分光立方体(5)、交叉相位调制单元(6)、第一反射镜(9)、第二半波片(8)、第二反射镜(10)和第三偏振分光立方体(7)，其中所述第一偏振分光立方体(2)、聚焦透镜(3)、第一半波片(4)、第二偏振分光立方体(5)、交叉相位调制单元(6)和第三偏振分光立方体(7)依次设于同一直线光路上，所述第一反射镜(9)、第二半波片(8)、第二反射镜(10)依次设于另一平行直线光路上；且其中由所述第一偏振分光立方体(2)、聚焦透镜(3)、第一半波片(4)和第二偏振分光立方体(5)组成泵浦光路单元，用于产生沿第一方向传输的所述泵浦激光束，由所述第一偏振分光立方体(2)、第一反射镜(9)、第二半波片(8)、第二反射镜(10)和第三偏振分光立方体(7)组成探测光路单元，用于产生与第一方向反向共线传输的所述探测激光束，所述交叉相位调制单元(6)位于所述第二偏振分光立方体(5)和第三偏振分光立方体(7)之间。

4.根据权利要求3所述的快速对焦暗场成像装置，其特征在于，其中所述第一偏振分光立方体(2)、第二偏振分光立方体(5)和第三偏振分光立方体(7)透射激光束中的水平偏振分量、并反射激光束中的竖直偏振分量；入射到交叉相位调制单元(6)中的泵浦激光束具有水平偏振态，入射到交叉相位调制单元(6)中的探测激光束具有竖直偏振态；所述第一半波片(4)和第二半波片(8)能够对偏振光的偏振方向进行旋转调节；通过第一半波片(4)和第二偏振分光立方体(5)调节入射到交叉相位调制单元(6)中的泵浦激光束的功率，通过第二半波片(8)和第三偏振分光立方体(7)调节入射到交叉相位调制单元(6)中的探测激光束的功率。

5.根据权利要求3或4所述的快速对焦暗场成像装置，其特征在于，其中所述探测光路单元中，由所述第一偏振分光立方体(2)、第一反射镜(9)、第二半波片(8)、第二反射镜(10)和第三偏振分光立方体(7)组成U型探测光路，其中所述第一反射镜(9)设置于第一偏振分光立方体(2)的反射输出端，并将第一偏振分光立方体(2)反射输出的探测激光束垂直反射至第二反射镜(10)，所述第二反射镜(10)将第一反射镜(9)反射的探测激光束垂直反射至第三偏振分光立方体(7)的光束入射端，所述第二半波片(8)设置于第一反射镜(9)和第二反射镜(10)之间。

6.根据权利要求3-5任一项所述的快速对焦暗场成像装置，其特征在于，其中所述泵浦光路单元中，由所述第一偏振分光立方体(2)、聚焦透镜(3)、第一半波片(4)和第二偏振分光立方体(5)组成直线泵浦光路，所述聚焦透镜(3)和第一半波片(4)设置于第一偏振分光立方体(2)和第二偏振分光立方体(5)之间，且第一半波片(4)位于聚焦透镜(3)的正后方，所述聚焦透镜(3)用于将泵浦激光束的腰斑聚焦于交叉相位调制单元(6)中。

7.根据权利要求1-6任一项所述的快速对焦暗场成像装置，其特征在于，所述交叉相位调制单元(6)采用装有非线性介质的比色皿，所述探测激光束和泵浦激光束以共线反向传输的方式共同作用于所述比色皿中的非线性介质，所述泵浦激光束通过非线性作用使非线性介质的折射率分布发生改变，所述探测激光束经过非线性介质后在其出射端面发生相移，并在出射远场形成包括中心暗斑和同心圆环的所述空心光束，且通过改变入射到非线性介质中泵浦激光束的功率来改变空心光束的尺寸，所述空心光束输出至显微成像系统。

8.根据权利要求7所述的快速对焦暗场成像装置，其特征在于，泵浦激光束作用于比色皿中的非线性介质时，非线性介质的折射率分布为：

n＝n₀+n₂I₁，其中n为非线性介质的总折射率，n₀为线性折射率，I₁为泵浦激光束的光强，n₂为热致非线性折射系数，且

其中dn/dT为非线性介质折射率对温度的依赖关系，α为吸收系数，κ为非线性介质的热传导系数，ω_p为泵浦激光束的半径；

泵浦激光束作用于比色皿中的非线性介质时，在非线性介质出射端面发生的附加相移为：

其中以非线性介质出射端面为坐标原点，探测激光束传输方向为z轴正方向，I₁(r,z)为泵浦激光束的光强分布，I₁₀为泵浦激光束的中心光强，k₀为波矢，ω_1p(z)为泵浦激光束在不同位置处的光斑半径，ω₁₀为泵浦激光束的束腰半径，r为径向坐标，l为比色皿中非线性介质的有效作用长度。

9.根据权利要求1-8任一项所述的快速对焦暗场成像装置，其特征在于，所述显微成像系统包括：扩束镜(11)、非球面透镜(12)、载物台(13)、载玻片(14)、显微物镜(15)、摄像机和计算机(17)，所述扩束镜(11)正对交叉相位调制系统的空心光束输出端设置，所述非球面透镜(12)设置于所述扩束镜(11)的正后方，所述显微物镜(15)设置于所述非球面透镜(12)的正后方，所述载物台(13)设置于所述非球面透镜(12)和显微物镜(15)之间，所述载玻片(14)设置于所述载物台(13)上，所述载玻片(14)靠近或位于所述非球面透镜(12)的焦点位置，通过所述扩束镜(11)和非球面透镜(12)将空心光束的出射发散角调节到大于所述显微物镜(15)的孔径角，所述摄像机设置于所述显微物镜(15)后方，所述计算机(17)连接于所述摄像机。

10.一种基于权利要求1-9任一项所述的快速对焦暗场成像装置进行的快速对焦暗场成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、从第一激光器(1)输出的激光束透过第一偏振分光立方体(2)后获得一束水平偏振的泵浦激光束，所述泵浦激光束依次通过聚焦透镜(3)和第一半波片(4)后入射到第二偏振分光立方体(5)，透过所述第二偏振分光立方体(5)的泵浦激光束聚焦于交叉相位调制单元(6)；

步骤二、从第一激光器(1)输出的激光束经由第一偏振分光立方体(2)反射后获得一束竖直偏振的探测激光束，所述探测激光束经第一反射镜(9)和第二反射镜(10)反射后入射到第三偏振分光立方体(7)，期间经过第二半波片(8)，探测激光束经第二偏振分光立方体(7)反射后入射到交叉相位调制单元(6)中，调节探测激光束和泵浦激光束的光路使得入射到所述交叉相位调制单元(6)中的探测激光束与泵浦激光束的传播方向相反且为共线传播；所述探测激光束与泵浦激光束在交叉相位调制单元(6)中发生交叉相位调制而产生的空心光束入射到第二偏振分光立方体(5)，经第二偏振分光立方体(5)反射后进入扩束镜(11)，并依次通过扩束镜(11)、非球面透镜(12)和显微物镜后，进入摄像机；

步骤三、旋转第一半波片(4)动态调整泵浦激光束入射到交叉相位调制单元(6)中的功率强度，并旋转第二半波片(8)将探测激光束入射到交叉相位调制单元(6)中的功率强度调节到合适值，直至摄像机上出现明显的空心光束；

步骤四、调整非球面透镜(12)的位置使非球面透镜出射的空心光束的发散角大于显微物镜(15)的孔径角，当在摄像机中看到只有一个亮点的暗背景时，即可确定此时发散角已经大于孔径角；

步骤五、将样品放置在载玻片(14)上，由摄像机得到样品图像；

步骤六、通过旋转第一半波片调节泵浦激光束的功率，进而实现对空心光束尺寸的调节，实现对样品的快速对焦暗场成像。

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