CN111630432B - 声光的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于减小在声光元件(1)上衍射的光(7)的色散角的装置，包括：所述声光元件(1)，该声光元件布置在入射光束(2)的光路中，该声光元件由所述入射光束(2)产生所述衍射的光，该衍射的光起始于所述声光元件(1)的虚拟的交汇点(50)，其特征在于，所述装置包括两个聚焦的光学件(10、20)，其中，第一聚焦的光学件(20)在光路中布置在所述声光元件(1)之前，第二聚焦的光学件(10)布置在所述衍射的光(7)中，并且，所述入射光束(2)的焦点(40)在所述声光元件(1)中位于所述第一聚焦的光学件(20)之后，所述虚拟的交汇点(50)位于所述第二聚焦的光学件(10)的前面的焦点处。

Description

声光的装置和方法
技术领域
本发明涉及光学显微镜特别是多光子显微镜的领域。
本发明涉及一种用于减小在声光元件上衍射的光的色散角的装置，其包括声光元件和两个聚焦的光学件。本发明还涉及一种用于减小在声光元件上衍射的光的色散角的方法。
背景技术
在光学显微镜的很多领域中，无论所用的方法如何，一个主要的要求就是，提供具有一个或多个规定波长的激发光。根据显微方法和/或样本类型而定，可能需要一个或多个激发光束，这些激发光束通常必须具有规定的光谱特性。
例如，在荧光显微领域重要的是，使用具有一定波长的光，该波长激发出荧光。特别是当样本含有具有不同激发光谱的荧光物质时，需要不同的波长。
在多光子显微和共焦扫描显微(共焦显微)领域，特别重要的是，调整某些波长的光强，或者接通或切断某些波长。
为此可以使用基于声光效应的波长选择元件。这种声光元件通常具有所谓的声光晶体，该晶体借助声音信号发生器—也叫转换器或“变换器”—而处于振动中。通常，这种转换器具有压电材料以及两个或多个接触该材料的电极。通过以通常在10MHz与10GHz之间范围内的高频率将电极电接通，激发压电材料振动，从而可以产生经过晶体的声波。声光晶体的特点是，所产生的声波改变晶体的光学特性。尤其实现了对局部折射率的周期性调制。这种调制如同(布拉格)光栅一样起作用，且可以使得相应波长的光衍射。
这种声光元件例如是声光调制器(AOM)、声光偏转器(AOD)、声光可调滤波器(AOTF)、声光分光器(AOBS)和声光聚光器(AOBM)。在本申请的范畴内，AOM通常是指一种根据在其中产生的声波来影响或调制入射光的频率和/或传播方向和/或光强的声光元件。因此，AOD例如是AOM的专门影响传播方向的一种特殊的表现形式，而AOTF是尤其利用声光调制器的滤波特性的AOM。声波的相对快速的可调制性，连同—相比于其它方法(例如利用电光效应)—较低的成本，使得AOM在激光扫描显微镜中成为用于光调制的标准工具。
AOM在多光子显微术中广为使用。在此通常使用波长在红色至近红外范围内的飞秒激光器(F.Helmchen和W.Denk，“Deep tissue two-photon microscopy”，NatureMethods 2，932–940(2005))。典型值是，波长在650nm和1300nm之间，脉冲长度在50fs和200fs之间，在重复率处于100MHz的数量级内和线性偏振情况下，脉冲能量为若干100nJ。
根据应用领域和要求而定，可以针对不同的参数优化AOM和通常的声光元件或声光学器件。设计参数主要有：
·正/负第一衍射级的色共线性(所谓的有用光束)；
·折射效率；
·在施加射频时有效衍射的光的光谱带宽(光谱宽度)；
·入射光束的角度敏感性；
·射频的频率范围和幅度范围。
特别是正/负第一衍射级(下面也简写为±1的衍射级)的色共线性，即不同波长的有效光束的共线性，对于在多光子显微术中使用来说至关重要。换句话说，在本申请的范畴内，±1衍射级的色共线性是指正的第一衍射级、但不同波长的各衍射光束相互间的共线性，或者是指负的第一衍射级、但不同波长的各衍射光束相互间的共线性。色共线性的该定义等同地也适用于较高的衍射级(即通常±n衍射级，n≥1)。
如果AOM被具有给定的中央波长λ和光谱宽度Δλ的光脉冲照射，则产生±1的衍射级，其通常用作有效光束。由于衍射效率有限，通常还表明有零衍射级，但其因为相比于±1衍射级较差的利用AOM的调制性而通常不使用。
由于光脉冲的光谱带宽有限，通过声光元件对±1的衍射级进行角度分开：光脉冲的不同的有色分量通过声光元件而在略微不同的方向上衍射。因而不存在±1衍射级的色共线性。前面段落的论述等同地当然也适用于较高的衍射级。
利用声光元件的这种散布的大小在下面称为“色散角”(CSA)，并且定义为衍射光的衍射角度关于其波长λ的导数：/>CSA因而是衍射级内与完美色共线性的偏差量的量度，并且它具有单位mrad/nm。射到声光元件上的光的光谱带宽越大，光衍射所在的角度范围也就越大(CSA保持不变)。因此，在光具有较大的光谱带宽时，对于有效使用衍射光来说，特别希望补偿或减小CSA，因为利用CSA也将减小该角度范围。
对于在(多光子)显微术中的应用，太大的CSA出于两个原因而有问题：其一为，飞秒光脉冲的有色分量的不同的传播方向负责随着传播的持续而使得光束轮廓呈椭圆形，因而未最佳地照射激发物镜的入射光瞳，这尤其导致分辨率变差或者效果降低(在过度照射入射光瞳时)。第二，光脉冲的不同的有色分量以不同的角度射到入射光瞳上，这造成这些有色分量在样本中在空间上分开。这种空间上的分开(也叫“在空间上啁啾的光脉冲”或“空间上的啁啾(Chirp)”)，就像各有色分量未同时照射一样(“时间上的啁啾”)，减小了峰值光强，因而减小了多光子激发的效率。
那些通过第一点产生与传播距离有关的椭圆度(或者“在空间上的啁啾”)的缺点，可以根据现有技术予以补偿，其方式为，利用合适的中继光学件把AOM的虚拟的交汇点成像到物镜的入射光瞳中，并且根本就不产生椭圆。在本申请的范畴内，声光元件的特别是AOM的虚拟的交汇点(衍射点)是指在把从声光元件中射出的光束的各光路与光的物理传播方向相反地延长并且确定出它们的交点时得到的点。
特别是为了解决第二个问题(“时间上的啁啾”)，在现有技术中使用了棱镜(S.Zeng等人，“Simultaneous compensation for spatial and temporal dispersion ofacousto-optical deflectors for two-dimensional scanning with a single prism”，Opt.Lett.31，1091–1093(2006))、光栅或其它声光器件(Y.Kremer等人，“A spatio-temporally compensated acousto-optic scanner for two-photon microscopyproviding large field of view”，Opt.Express 16，10066–10076(2008))，它们以合适的布局基本上负责再补偿由AOM产生的CSA。但这些方案要么相当昂贵，要么不灵活(例如在激光波长改变时)。
发明内容
本发明的目的因此是，提出一种成本低廉且灵活的装置，其明显减小了被声光元件特别是AOM衍射的光的上述CSA，从而可以实现高质量的多光子显微术。本发明的目的还有：提出一种相应的方法。
在现有技术的上述解决方案中，通过合适的光学器件在相对于声光元件的位置和方向上补偿光束或激光脉冲的光谱分量，与这些解决方案相反，在本申请中仅仅保证在物镜光瞳位置的有色分量的共线性。这些有色分量然后在样本侧成像到相同的位置。
基于根据本发明的该方案，针对惊人地简单地构造的因而可成本低廉地生产的透镜系统，已找到了技术实施，该透镜系统可以灵活地与声光元件配合作用，并且在补偿衍射光的CSA方面满足了高的质量要求。有利的设计是后续说明的主题。
根据本发明的第一方面，用于减小在声光元件上衍射的光的色散角的根据本发明的装置包括声光元件，该声光元件布置在入射光束的光路中，该声光元件由入射光束产生衍射光，该衍射光起始于声光元件的虚拟的交汇点，其特征在于，该装置还包括两个聚焦的光学件，其中，第一聚焦的光学件在光路中布置在声光元件之前，第二聚焦的光学件布置在衍射的光中，并且，入射光束的焦点在声光元件中位于第一聚焦的光学件之后，虚拟的交汇点位于第二聚焦的光学件的前面的焦点处。
原则上，利用尽量短焦距的光学件来实施本发明是优选的，因为由此减小了色度平行偏移。然而，与相应的声光元件的设计有关，这会导致衍射效率或多或少地减小，在入射光的特定入射角度(光轴与光路之间的角度)变大时，声光元件使得入射光通常低效率地衍射。因此实际上，考虑到具体的应用情况，必须在平行偏移与衍射效率之间做出折衷。
通过在声光元件之后的第二光学件，该声光元件的焦距与虚拟的交汇点间隔开，各有色分量(有色分量在此是指一定波长的衍射光)基本上相互共线地且与光轴共线地传播。但由于这种布置使得有色分量或所产生的光束聚焦，并且因而间接地导致所产生的光束发散，所以在声光学件之前需要抑制光束的这种发散的第一光学件。声光元件之前的第一光学件通过入射光束的聚焦来负责使得每个波长的衍射光(即全部的有色分量)都分别在声光元件中具有尽量小的光束直径。
根据本发明的装置可有利地特别是应用在脉冲式地入射的光束且脉冲时长尤其短小的情况下，因为脉冲时长变小时，光谱宽度变大，因而光发生衍射所在的角度范围变大。因而需要或者至少希望减小CSA。在此示范性地提到在多光子显微镜中或者在多光子显微术领域中使用该装置，多光子显微术通常使用所用光的在数百飞秒范围内的脉冲时长。根据本发明的另一方面，入射光束因而是脉冲式的光，其特别是来自于发出脉冲光的激光光源(脉冲激光光源、脉冲式的激光器、脉冲激光器)，脉冲时长最多为1000fs(即≤1000fs)，优选最多为800fs(≤800fs)，优选最多为500fs(≤500fs)，优选最多为300fs(≤300fs)，特别优选最多为200fs(≤200fs)，更特别优选最多为100fs(≤100fs)。
根据本发明的第三方面，衍射的光是正/负第一级的衍射光，因为所述级的光优选用于显微目的。
该原理优选可以利用柱面透镜和/或球面透镜予以实施。采用柱面透镜的优点在于，晶体中尤其是在晶体表面上的峰值光强(最大光强)较小。为了改善成像特性，例如也可以采用非有色的和/或非球面的透镜。所述的本发明的也可以利用曲面反射镜来实施，其中，在此相比于使用标准透镜，未出现有色像差是有利的。这种反射镜可以设计成球形的结构形式，或者(为了避免球面像差)设计成抛物面反射镜。出于造型的原因，有时“离轴”抛物面(OAP)构造形式的抛物面反射镜也是适宜的。所用的光学件通常可以包含一个或多个透镜和/或反射镜和/或其它光学元件比如滤光器或棱镜，其中，可考虑各种不同的组合。
因此，根据本发明的其它优选的实施方案，第一聚焦的光学件和/或第二聚焦的光学件包括至少一个反射镜和/或至少一个透镜。
根据对本发明的装置的一种因构造简单且成本低廉而特别优选的实施方案，第一聚焦的光学件和/或第二聚焦的光学件由透镜、特别是球面透镜或柱面透镜构成。使用柱面透镜是有益的，因为AOM破坏了光路的旋转对称性，这是由于AOM仅在一个空间方向上引起分开。在两个聚焦的光学件都通过各个透镜来实施的情况下，这些聚焦的光学件优选要么两者都由球面透镜构成，要两者都由柱面透镜构成。这确保光束不会在一个维度上不必要地聚焦或发散。
如上已述，本发明特别优选采用声光调制器(AOM)来实施。
如上所述，根据本发明的装置特别适合于在显微术中使用，且在那里在扫描显微术尤其是多光子显微术的领域中使用。根据本发明的另一方面，显微镜特别是多光子显微镜因而包含有根据本发明的第一方面的装置。
在此，带有这种装置的显微镜(或显微镜系统)(例如多光子显微镜)可以包括发出脉冲光的用于样本照明的激光光源，该激光光源可以产生射入到该装置中的光束，该光束的脉冲时长最多为1000fs(即≤1000fs)，优选最多为800fs(≤800fs)，优选最多为500fs(≤500fs)，优选最多为300fs(≤300fs)，特别优选最多为200fs(≤200fs)，更特别优选最多为100fs(≤100fs)。根据本发明的装置减小了在该装置的声光元件上衍射的光的CSA，该光由入射的脉冲光束产生。相关地要再次说明，在脉冲时长变小时，光谱宽度变大，进而光衍射所在的角度范围变大，因而在脉冲时长较小情况下使用带有根据本发明的用来减小CSA的装置的显微镜是特别有利的。
优选使用根据本发明的第一方面的装置来实施根据本发明的方法，用于减小衍射光的色散角(CSA)，所述光通过声光元件而衍射。
从事于本发明领域的本领域技术人员，在了解到根据本发明的解决方案的上述装置特征情况下，会设计与装置特征相应的方法步骤，优选用于采用上述装置。就此参见说明书的上述部分，以避免赘述。
有各种不同的可行方案来采用有利的方式设计和改进本发明的教导。对此，参见借助附图对本发明的后续介绍。结合借助附图对本发明的优选实施例的介绍，也普遍地介绍该教导的优选设计和改进。
附图说明
图1示意性地示出扫描显微镜的通常的照射光路；
图2示意性地示出在AOM上的衍射过程；
图3为根据本发明的装置的示意图；
图4示意性地局部地示出在使用柱面透镜作为第二光学件时的光路。
具体实施方式
图1以极其简化的形式示出扫描显微镜例如多光子显微镜的通常的照射光路，该显微镜带有声光元件1特别是AOM作为光束调制件。入射的光束2从光源22例如激光器特别是脉冲式激光器，任选地通过光束引导和调整光学件24，到达声光元件1。从那里起，在声光元件1上衍射的光7通过任选的成像和扫描光学件26到达物镜28，并且最终到达样本30。
图2示意性地示出在AOM1上的衍射过程，该AOM被具有给定的中央波长λ和光谱宽度Δλ的入射光束2照射。在AOM1的晶体上安置了变换器5，该变换器把射频(RF)施加到晶体中。在由此产生的光栅上产生了衍射的光7的±1的衍射级，其通常用作有用光束。由于衍射效率有限，通常也可以表明有零级衍射级8。由于第一衍射级的色共线性不完美，且入射光脉冲2的光谱带宽有限，产生了第一±1衍射级的角度分开9，其中，光脉冲的不同的有色分量在略微不同的方向上衍射。这示范性地针对具有三个不同波长λ1、λ2和λ3的三个部分光束7a、7b、7c示出。衍射光的这种散布的大小用色散角(CSA)来表示，其单位为mrad/nm。这些衍射的部分光束7a、7b、7c起始于AOM1的虚拟的交汇点50，如果使这些光束与物理传播方向相反地延长，并且确定出相交点，若不考虑在AOM1的晶体与外围介质之间的过渡部的可能的折射效应，就得到了所述交汇点。
图3所示为根据本发明的装置的示意图，其中，第一光学件20(例如一个单独的透镜)位于AOM1之前，且第二光学件10(例如同样为一个单独的透镜)位于AOM1之后。第一光学件20经过布置，从而入射光2的被其聚焦的光束在AOM1中在与第一光学件20相距距离d的焦点40处聚焦，也就是说，入射光2的各光束的光路相交于晶体中的一点(在该图中，为明了起见，在光从外围介质过渡到晶体中时的折射效应未示出，但这种折射效应在布置第一光学件20时当然要予以考虑。距离d通常不等于光学件20的在外围介质例如空气中的焦距)。AOM1后面的第二光学件10经过布置，从而例如±1衍射级的有色分量(如以部分光束7a、7b、7c示出)在色度上彼此共线地伸展(色共线性)。这些有色部分光束7a、7b、7c过渡到部分光束17a、17b、17c中。如此产生的准直的光束(其含有部分光束17a、17b、17c)被继续引导至样本30。第二光学件10与虚拟的交汇点50之间的距离因而等于第二光学件10的焦距f。第二光学件10在此用于实现±1衍射级的色共线性，进而实现衍射光的准直，而第一光学件20则尽量补偿或者至少抑制有色部分光束17a、17b、17c的并非所愿的发散(见图4)和所得到的光束的并非所愿的发散。
图4示意性地局部地详细示出在使用柱面透镜作为第二光学件10时的光路，其中，在分图a)和b)中从两个视角示出了布局，这些视角参照光轴3彼此相对转动了90°。有色部分光束7a、7b、7c分别通过柱面透镜10聚焦，这导致在柱面透镜10之后在一个空间方向上部分光束17a、17b、17c出现并非所愿的发散，且使得所得到的光束出现并非所愿的发散(见分图a))。这种发散尽量通过AOM1之前的第一光学件20予以补偿，其方式为，该第一光学件20通过由它进行的聚焦来负责使得任何波长的衍射光(即有色分量)—在图3中示范性地用部分光束7a、7b、7c表示—分别各自具有尽量小的光束直径。

Claims (19)

1.一种显微镜，其包含有用于减小在声光元件(1)上衍射的光(7)的色散角的装置，所述装置包括：
所述声光元件(1)，该声光元件布置在入射光束(2)的光路中，
该声光元件由所述入射光束(2)产生所述衍射的光(7)，该衍射的光起始于所述声光元件(1)的虚拟的交汇点(50)，
其中，所述显微镜包括用于样本照明的发出脉冲光的激光光源，所述激光光源提供具有≤1000fs的脉冲时长的入射光束(2)，
其特征在于，所述装置包括两个聚焦的光学件(10、20)，
其中，第一聚焦的光学件(20)在光路中布置在所述声光元件(1)之前，第二聚焦的光学件(10)布置在所述衍射的光(7)中，并且，
所述入射光束(2)的第一焦点(40)在所述声光元件(1)中位于所述第一聚焦的光学件(20)之后，所述虚拟的交汇点(50)位于所述第二聚焦的光学件(10)的前面的第二焦点处以使所述衍射的光(7)准直，
其中所述第一焦点(40)与所述虚拟的交汇点(50)不重合。
2.如权利要求1所述的显微镜，其特征在于，所述衍射的光(7)是正/负第一级的衍射光。
3.如权利要求1或2所述的显微镜，其特征在于，所述第一聚焦的光学件(20)和/或所述第二聚焦的光学件(10)包括至少一个反射镜。
4.如权利要求1或2所述的显微镜，其特征在于，所述第一聚焦的光学件(20)和/或所述第二聚焦的光学件(10)包括至少一个透镜。
5.如权利要求1或2所述的显微镜，其特征在于，所述第一聚焦的光学件(20)和/或所述第二聚焦的光学件(10)由透镜构成。
6.如权利要求5所述的显微镜，其特征在于，所述透镜是球面透镜或柱面透镜。
7.如权利要求1或2所述的显微镜，其特征在于，所述声光元件是声光调制器。
8.如权利要求1或2所述的显微镜，其特征在于，所述激光光源提供具有≤300fs的脉冲时长的入射光束(2)。
9.如权利要求8所述的显微镜，其特征在于，所述激光光源提供具有≤100fs的脉冲时长的入射光束(2)。
10.如权利要求1或2所述的显微镜，其特征在于，所述显微镜是多光子显微镜。
11.一种使用根据权利要求1～10中任一项所述的显微镜来减小在声光元件(1)上衍射的光(7)的色散角的方法，其中，
所述声光元件(1)布置在入射光束(2)的光路中，并且由所述入射光束(2)产生所述衍射的光(7)，其中，所述衍射的光(7)起始于所述声光元件(1)的虚拟的交汇点(50)，
该方法包括：
利用第一聚焦的光学件(20)使得所述入射光束(2)聚焦到第一焦点(40)，其中，所述第一焦点(40)位于所述声光元件(1)中；
利用所述声光元件(1)由所述入射光束(2)产生衍射的光(7)，其中，所述衍射的光(7)起始于所述声光元件(1)的虚拟的交汇点(50)，
所述衍射的光(7)经过第二聚焦的光学件(10)，其中，所述虚拟的交汇点(50)位于所述第二聚焦的光学件(10)的前面的第二焦点处，
其中，所述入射光束(2)是脉冲式的光束，该光束来自于发出脉冲光的激光光源，脉冲时长≤1000fs。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述入射光束是脉冲式的光束，该光束来自于发出脉冲光的激光光源，脉冲时长≤300fs。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述脉冲式的光束的脉冲时长≤100fs。
14.如权利要求11或12所述的方法，其特征在于，所述衍射的光(7)是正/负第一级的衍射光。
15.如权利要求11或12所述的方法，其特征在于，所述第一聚焦的光学件(20)和/或所述第二聚焦的光学件(10)包括至少一个反射镜。
16.如权利要求11或12所述的方法，其特征在于，所述第一聚焦的光学件(20)和/或所述第二聚焦的光学件(10)包括至少一个透镜。
17.如权利要求11或12所述的方法，其特征在于，所述第一聚焦的光学件(20)和/或所述第二聚焦的光学件(10)由透镜构成。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述透镜是柱面透镜。
19.如权利要求11或12所述的方法，其特征在于，所述声光元件是声光调制器。
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