CN112630203B - 一种高次谐波共聚焦探测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高次谐波共聚焦探测系统，包括：激光发射源、会聚元件、高次谐波发生器、调制光模块、分束器、检测模块和扫描模块。激光发射源发射的激光经会聚元件会聚到高次谐波发生器内，在高次谐波发生器内产生高次谐波并射入调制光模块，高次谐波经调制光模块线聚焦至分束器，分束器对高次谐波分别进行透射和反射，反射的高次谐波作为参考光射向检测模块；透射的高次谐波作为物光经过所述扫描模块射向样品，样品经过物光的激发产生荧光，荧光沿物光的光路返回到分束器，分束器将返回的荧光反射到检测模块，荧光与参考光在检测模块内相干成像。本发明提供的高次谐波共聚焦探测系统，增加了探测样品种类及能级结构的波长种类。

Description

一种高次谐波共聚焦探测系统

技术领域

本发明涉及微观探测领域，特别是涉及一种高次谐波共聚焦探测系统。

背景技术

在微观探测领域中，增加样品的探测厚度，提高分辨率和成像质量一直是科学家追逐的目标。共聚焦显微镜是利用扫描光束通过光栅针孔形成点光源，在荧光标记标本的焦平面上逐点扫描，采集点的光信号通过探测针孔到达接收器，经过信号处理，在计算机监视屏上形成图像。对于从物镜焦平面的焦点处发出的光在针孔处可以得到很好的会聚，可以全部通过针孔被探测器接收。但是在焦平面上下位置发出的光在针孔处会产生直径很大的光斑，对比针孔的直径大小，只有极少部分的光可以透过针孔被探测器接收。而且随着距离物镜焦平面的距离越大，样品所产生的杂散光在针孔处的弥散斑就越大，能透过针孔的能量就越少，因此在探测器上产生的信号就越小，影响也越小。正由于共聚焦显微仅对样本焦平面成像，有效的避免了衍射光和散射光的干扰，使得它具有比普通显微镜更高的分辨率。

常规共聚焦显微镜光源波长的选择很有限，只有几个波长的光源限制了探测样品的种类及能级的结构。如何增加探测样品种类及能级结构的波长种类成为亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种高次谐波共聚焦探测系统，增加了探测样品种类及能级结构的波长种类。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种高次谐波共聚焦探测系统，所述高次谐波共聚焦探测系统包括：高次谐波产生装置和共聚焦探测装置；

所述高次谐波产生装置包括激光发射源、会聚元件和高次谐波发生器；

所述共聚焦探测装置包括调制光模块、分束器、检测模块和扫描模块；

所述会聚元件和所述高次谐波发生器沿所述激光发射源的发射方向依次设置在所述激光发射源发射光路上；

所述调制光模块和分束器沿所述高次谐波发生器的出射方向依次设置在所述高次谐波发生器出射光路上；

检测模块设置在所述分束器的反射光路上，所述扫描模块设置在所述分束器的透射光路上；

所述激光发射源发射的激光经所述会聚元件会聚到所述高次谐波发生器内，在所述高次谐波发生器内产生高次谐波并射入所述调制光模块，所述高次谐波经所述调制光模块线聚焦至所述分束器，所述分束器对所述高次谐波分别进行透射和反射，透射的高次谐波作为物光，反射的高次谐波作为参考光；

所述参考光射向所述检测模块；

所述物光经过所述扫描模块射向样品；所述样品经过物光的激发产生荧光；所述荧光沿物光的光路返回到分束器；所述分束器将返回的所述荧光反射到检测模块；

所述荧光与所述参考光在检测模块内相干成像。

可选地，所述高次谐波发生器包括：高次谐波发生腔体、入射窗、气体输入口和出射窗；

所述入射窗和所述出射窗分别相对设置在所述高次谐波发生腔体的侧壁上；

工作时，所述入射窗正对着所述会聚元件，所述出射窗正对着所述调制光模块；

所述气体输入口设置在所述高次谐波发生腔体的顶端。

可选地，所述高次谐波产生装置还包括：选波放大器；

所述选波放大器设置在所述高次谐波发生器和所述调制光模块之间。

可选地，所述调制光模块包括：第一滤波器、半波片、电光调制器、第一扩束镜、第二扩束镜、空间偏光片、偏光分析仪和圆柱镜；

所述第一滤波器、半波片、电光调制器、第一扩束镜、第二扩束镜、空间偏光片、偏光分析仪和圆柱镜沿所述高次谐波发生器的出射方向依次设置在所述高次谐波发生器的出射光路上。

可选地，所述扫描模块包括：第一透镜、第一激发发射振镜、扫描镜、管镜和物镜；

所述第一透镜和所述第一激发发射振镜沿所述分束器的透射方向依次设置在所述分束器的透射光路上；

所述扫描镜、所述管镜和所述物镜沿所述第一激发发射振镜的反射方向依次设置在所述第一激发发射振镜的反射光路上。

可选地，所述检测模块包括：第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、狭缝、、第二滤波器、第二激发发射振镜、和接收器；

所述第五透镜、所述第四透镜、所述狭缝、所述第三透镜、所述第二滤波器、和所述第二激发发射振镜沿所述分束器的反射方向依次设置在所述分束器的反射光路上；

所述第二透镜和所述接收器沿所述第二激发发射振镜的反射方向依次设置在所述第二激发发射振镜的反射光路上。

可选地，所述接收器为相机和/或光谱仪；

所述光谱仪用于分析样品的组成成分。

可选地，所述激光发射源发射的激光波长为800nm。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供的高次谐波共聚焦探测系统包括：高次谐波产生装置和共聚焦探测装置，其中高次谐波产生装置包括激光发射源、会聚元件和高次谐波发生器；共聚焦探测装置包括调制光模块、分束器、检测模块和扫描模块。会聚元件和高次谐波发生器沿激光发射源的发射方向依次设置在激光发射源发射光路上，调制光模块和分束器沿高次谐波发生器的出射方向依次设置在高次谐波发生器出射光路上，检测模块设置在分束器的反射光路上，扫描模块设置在分束器的透射光路上，激光发射源发射的激光经会聚元件会聚到高次谐波发生器内，在高次谐波发生器内产生高次谐波并射入调制光模块，高次谐波经调制光模块线聚焦至分束器，分束器对高次谐波分别进行透射和反射，反射的高次谐波作为参考光射向检测模块；透射的高次谐波作为物光经过所述扫描模块射向样品，样品经过物光的激发产生荧光，荧光沿物光的光路返回到分束器，分束器将返回的荧光反射到检测模块，荧光与参考光在检测模块内相干成像。本发明提供的高次谐波共聚焦探测系统，高次谐波可以同时产生多个波长，增加了探测样品种类及能级结构的波长种类，通过调节元器件有选择地主动控制工作波长及在样品测试的聚焦深度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的高次谐波共聚焦探测系统的结构示意图；

图2为本发明提供的高次谐波共聚焦探测系统的高次谐波产生装置的结构示意图；

图3为本发明提供的高次谐波共聚焦探测系统的共聚焦探测装置的结构示意图；

符号说明：

1—高次谐波产生装置，2—共聚焦探测装置，101—激光发射源，102—会聚元件，103—入射窗，104—高次谐波发生腔体，105—气体输入口，106—出射窗，107—选波放大器，108—高次谐波发生器，201—第一滤波器，202—半波片，203—电光调制器，204—第一扩束镜，205—第二扩束镜，206—空间偏光片，207—偏光分析仪，208—圆柱镜，209—分束器，210—第一透镜，211—第一激发发射振镜，212—扫描镜，213—管镜，214—物镜，215—样品，216—第二激发发射振镜，217—第二透镜，218—接收器，219—第二滤波器，220—第三透镜，221—狭缝，222—第四透镜，223—第五透镜。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种高次谐波共聚焦探测系统，增加探测样品种类及能级结构的波长种类，通过有选择地主动控制工作波长及在样品测试的聚焦深度，实现有效降低非焦平面信息的干扰，提高分辨率及成像质量。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

如图1-3所示，一种高次谐波共聚焦探测系统，所述高次谐波共聚焦探测系统包括：高次谐波产生装置1和共聚焦探测装置2；所述高次谐波产生装置1包括激光发射源101、会聚元件102和高次谐波发生器108；所述共聚焦探测装置2包括调制光模块、分束器209、检测模块和扫描模块；所述会聚元件102和所述高次谐波发生器108沿所述激光发射源101的发射方向依次设置在所述激光发射源101发射光路上；所述调制光模块和分束器209沿所述高次谐波发生器108的出射方向依次设置在所述高次谐波发生器108出射光路上；检测模块设置在所述分束器209的反射光路上，所述扫描模块设置在所述分束器209的透射光路上；所述激光发射源101发射的激光经所述会聚元件102会聚到所述高次谐波发生器108内，在所述高次谐波发生器108内产生高次谐波并射入所述调制光模块，高次谐波经所述调制光模块线聚焦至所述分束器209，所述分束器209对所述高次谐波分别进行透射和反射，透射的高次谐波作为物光，反射的高次谐波作为参考光；所述参考光射向所述检测模块；所述物光经过所述扫描模块射向样品215；所述样品215经过物光的激发产生荧光；所述荧光沿物光的光路返回到分束器209；所述分束器209将返回的所述荧光反射到检测模块；所述荧光与所述参考光在检测模块内相干成像。

所述高次谐波发生器108包括：高次谐波发生腔体104、入射窗103、气体输入口105和出射窗106；所述入射窗103和所述出射窗106分别相对设置在所述高次谐波发生腔体104的侧壁上；工作时，所述入射窗103正对着所述会聚元件102，所述出射窗106正对着所述调制光模块；所述气体输入口105设置在所述高次谐波发生腔体104的顶端。

所述高次谐波发生器108，用于盛放与强场相互作用的介质，气体经气体输入口105进入，液体和固定置于所述高次谐波发生器108内，产生的高次谐波发生器108经选波放大器107放大后输入到共聚焦显微系统。

所述高次谐波产生装置1还包括：选波放大器107；所述选波放大器107设置在所述高次谐波发生器108和所述调制光模块之间。

所述调制光模块包括：第一滤波器201、半波片202、电光调制器203、第一扩束镜204、第二扩束镜205、空间偏光片206、偏光分析仪207和圆柱镜208；所述第一滤波器201、半波片202、电光调制器203、第一扩束镜204、第二扩束镜205、空间偏光片206、偏光分析仪207和圆柱镜208沿所述高次谐波发生器108的出射方向依次设置在所述高次谐波发生器108出射光路上。

所述扫描模块包括：第一透镜210、第一激发发射振镜211、扫描镜212、管镜213和物镜214；所述第一透镜210和所述第一激发发射振镜211沿所述分束器209的透射方向依次设置在所述分束器209的透射光路上；所述扫描镜212、所述管镜213和所述物镜214沿所述第一激发发射振镜211的反射方向依次设置在所述第一激发发射振镜211的反射光路上。

所述检测模块包括：第二透镜217、第三透镜220、第四透镜222、第五透镜223、狭缝221、、第二滤波器219、第二激发发射振镜216、和接收器218；所述第五透镜223、所述第四透镜222、所述狭缝221、所述第三透镜220、所述第二滤波器219、和所述第二激发发射振镜216沿所述分束器209的反射方向依次设置在所述分束器209的反射光路上；所述第二透镜217和所述接收器218沿所述第二激发发射振镜216的反射方向依次设置在所述第二激发发射振镜216的反射光路上。

工作波长经过偏振和分束，分束成物光和参考光，物光经扫描镜212对样品215进行扫描，物镜214焦平面出放置样品215，样品215被物光照射激发后产生荧光，荧光携带样品信息沿光路进入狭缝221，焦平面的荧光通过狭缝221进入接收器218，狭缝221放置在发射光的焦平面处，狭缝221的大小决定样品215的探测深度。

所述接收器218为相机和/或光谱仪；所述光谱仪用于分析样品215的组成成分。

所述激光发射源101发射的激光波长为800nm。

实施例2：

如图2所示，本发明提供的一种高次谐波共聚焦探测系统具体包括：高次谐波产生装置1，强场与物质相互作用时在高次谐波产生装置1内的高次谐波发生器108内产生高次谐波，超短超强激光经会聚元件102在介质处聚焦达10²²Jcm^-2，高次谐波经选波放大器107输入到共聚焦探测装置2。共聚焦探测装置2内的狭缝221位于发射光即经选波放大器107输入的光焦平面处，样品215位于激发光的焦平面内。

高次谐波产生装置1的核心元器件高次谐波发生器108迎着入射光的前壁有入射窗103，与前壁在同一光线行进方向有出射窗106，上方有气体输入口105，会聚元件102把激光发射源101发出的激光经入射窗103会聚到高次谐波发生器108内，强场激光与介质相互作用产生的高次谐波经出射窗106出射，经选波放大器107进行选择，适合的工作波长作为发射光入射到共聚焦探测装置2内。

实施例3：

如图3所示，本发明中的共聚焦探测装置2还包括：第一滤波器201接收高次谐波产生装置1射来的光束，半波片202位于第一滤波器201之后，沿着半波片202光线传播方向依次排列的是电光调制器203、第一扩束镜204、第二扩束镜205、空间偏光片206、偏光分析仪207、圆柱镜208和分束器209，分束器209将传播光线分成两束光，一束光作为物光仍旧沿原路线方向传播，另一束作为参考光沿与原传播方向的垂直方向传播，第一透镜210位于分束器209之后，即沿原光线传播方向，第一激发发射振镜211放置在第一透镜210之后，扫描镜212、管镜213、物镜214、样品215依次放置在第一激发发射振镜211传播光线的光路上；分束器209分束的与原传播方向垂直传播的分束光路上依次排列第五透镜223、第四透镜222、狭缝221、第三透镜220、第二滤波器219、第二激发发射振镜216、第二透镜217和接收器218。

第一滤波器201用于接收高次谐波产生装置1射来的光束后选定工作波长，半波片202用于将工作波长的光线进行起偏，偏振工作波长光线传播到电光调制器203，电光调制器203将工作波长的光束进行所需重复频率的脉冲调制，第一扩束镜204和第二扩束镜205将光束进行扩束以扩大照明样品215的空间，空间偏光片206进一步调整光束的偏振方向，偏光分析仪207准确定位偏振光的偏振方向性质，圆柱镜208将光束聚集成一维光束，并形成线焦点，通过扫描镜212和管镜213射向物镜214，样品215位于物镜214的焦平面上；扫描镜212依次进行逐线扫描，探测样品215的工作范围；样品215经激发光的激发，产生荧光，荧光沿激发光的光路返回到分束器209，分束器209将返回的荧光反射到狭缝221上，狭缝221的大小决定了探测样品215可探测的深度，分辨率和成像质量。

分束器209分束的与原传播方向垂直传播的分束光路上射向第五透镜223、第四透镜222、狭缝221、第三透镜220、第二滤波器219将散射光、衍射光等杂光滤掉，携带样品215探测信息的光经第二激发发射振镜216和第二透镜217到达接收器218，接收器218可以直接成像，接收器218为光谱仪也可分析出样品215的组成成份。

高次谐波产生装置1内进行强场与物质相互作用的物理过程，超短超强激光经聚光元件在介质处聚焦达10²²Jcm^-2，高次谐波经选波放大器107输入到共聚焦探测装置2。

本发明中的共聚焦探测装置2中滤波器接收高次谐波产生装置1射来的光束进行选择滤波，极化的光束经圆柱镜208将光束聚集成一维光束，并形成线焦点。

扫描镜212逐线进行扫描，样品215置于物镜214的焦平面处，激发光激发样品215中电子到激发态，电子返回基态发射荧光，探测荧光沿激发光路返回，遇到分束器209进入狭缝221。

狭缝221的大小决定了探测样品215可探测的深度，分辨率和成像质量。

接收器218为相机可以直接成像，接收器218为光谱仪也可分析出样品215的组成成份。

本发明提供的高次谐波共聚焦探测系统，高次谐波可以同时产生多个波长供实验选择，通过调节元器件有选择地主动控制工作波长及在样品测试的聚焦深度，从而决定了测试样品的深度和反应机理，较常规显微镜相比，主动选择工作波有效地降低非焦平面信息的干扰，提高分辨率及成像质量。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (1)

1.一种高次谐波共聚焦探测系统，其特征在于，所述高次谐波共聚焦探测系统包括：高次谐波产生装置和共聚焦探测装置；

所述高次谐波产生装置包括激光发射源、会聚元件、选波放大器和高次谐波发生器；

所述共聚焦探测装置包括调制光模块、分束器、检测模块和扫描模块；

所述会聚元件和所述高次谐波发生器沿所述激光发射源的发射方向依次设置在所述激光发射源发射光路上；

所述调制光模块和所述分束器沿所述高次谐波发生器的出射方向依次设置在所述高次谐波发生器出射光路上；

所述检测模块设置在所述分束器的反射光路上，所述扫描模块设置在所述分束器的透射光路上；

所述激光发射源发射的激光经所述会聚元件会聚到所述高次谐波发生器内，在所述高次谐波发生器内产生高次谐波并射入所述调制光模块，所述高次谐波经所述调制光模块线聚焦至所述分束器，所述分束器对所述高次谐波分别进行透射和反射，透射的高次谐波作为物光，反射的高次谐波作为参考光；

所述参考光射向所述检测模块；

所述物光经过所述扫描模块射向样品；所述样品经过所述物光的激发产生荧光；所述荧光沿所述物光的光路返回到所述分束器；所述分束器将返回的所述荧光反射到所述检测模块上；

所述荧光与所述参考光在所述检测模块内相干成像；

所述激光发射源发射的激光波长为800nm；

所述选波放大器设置在所述高次谐波发生器和所述调制光模块之间；

所述高次谐波发生器包括：高次谐波发生腔体、入射窗、气体输入口和出射窗；所述入射窗和所述出射窗分别相对设置在所述高次谐波发生腔体的侧壁上；工作时，所述入射窗正对着所述会聚元件，所述出射窗正对着所述调制光模块；所述气体输入口设置在所述高次谐波发生腔体的顶端；

所述高次谐波发生器，用于盛放与强场相互作用的介质，气体经气体输入口进入，液体置于所述高次谐波发生器内，产生的高次谐波经选波放大器放大后输入到共聚焦显微系统；

高次谐波产生装置的核心元器件高次谐波发生器迎着入射光的前壁有入射窗，与前壁在同一光线行进方向有出射窗，上方有气体输入口，会聚元件把激光发射源发出的激光经入射窗会聚到高次谐波发生器内，强场激光与介质相互作用产生的高次谐波经出射窗出射，经选波放大器进行选择，适合的工作波长作为发射光入射到共聚焦探测装置内；

所述调制光模块包括：第一滤波器、半波片、电光调制器、第一扩束镜、第二扩束镜、空间偏光片、偏光分析仪和圆柱镜；

所述第一滤波器、所述半波片、所述电光调制器、所述第一扩束镜、所述第二扩束镜、所述空间偏光片、所述偏光分析仪和所述圆柱镜沿所述高次谐波发生器的出射方向依次设置在所述高次谐波发生器的出射光路上；

所述扫描模块包括：第一透镜、第一激发发射振镜、扫描镜、管镜和物镜；

所述第一透镜和所述第一激发发射振镜沿所述分束器的透射方向依次设置在所述分束器的透射光路上；

所述扫描镜、所述管镜和所述物镜沿所述第一激发发射振镜的反射方向依次设置在所述第一激发发射振镜的反射光路上；

所述检测模块包括：第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、狭缝、第二滤波器、第二激发发射振镜和接收器；

所述第五透镜、所述第四透镜、所述狭缝、所述第三透镜、所述第二滤波器和所述第二激发发射振镜沿所述分束器的反射方向依次设置在所述分束器的反射光路上；

所述第二透镜和所述接收器沿所述第二激发发射振镜的反射方向依次设置在所述第二激发发射振镜的反射光路上；

第一滤波器用于接收高次谐波产生装置射来的光束后选定工作波长，半波片用于将工作波长的光线进行起偏，偏振工作波长光线传播到电光调制器，电光调制器将工作波长的光束进行所需重复频率的脉冲调制，第一扩束镜和第二扩束镜将光束进行扩束以扩大照明样品的空间，空间偏光片进一步调整光束的偏振方向，偏光分析仪准确定位偏振光的偏振方向性质，圆柱镜将光束聚集成一维光束，并形成线焦点，通过扫描镜和管镜射向物镜，样品位于物镜的焦平面上；扫描镜依次进行逐线扫描，探测样品的工作范围；样品经激发光的激发，产生荧光，荧光沿激发光的光路返回到分束器，分束器将返回的荧光反射到狭缝上，狭缝的大小决定了探测样品可探测的深度、分辨率和成像质量；

分束器分束的与原传播方向垂直传播的分束光路上射向第五透镜、第四透镜、狭缝、第三透镜、第二滤波器将散射光、衍射光滤掉，携带样品探测信息的光经第二激发发射振镜和第二透镜到达接收器，接收器可以直接成像，接收器为光谱仪也可分析出样品的组成成份；

高次谐波产生装置内进行强场与物质相互作用的物理过程，超短超强激光经聚光元件在介质处聚焦达10²²Jcm^-2，高次谐波经选波放大器输入到共聚焦探测装置；

共聚焦探测装置中滤波器接收高次谐波产生装置射来的光束进行选择滤波，极化的光束经圆柱镜将光束聚集成一维光束，并形成线焦点；

扫描镜逐线进行扫描，样品置于物镜的焦平面处，激发光激发样品中电子到激发态，电子返回基态发射荧光，探测荧光沿激发光路返回，遇到分束器进入狭缝；

所述接收器为相机和/或光谱仪；所述光谱仪用于分析样品的组成成分。

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