CN113866973B - 一种基于多阶光纤模式复用的光纤sted显微镜 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种基于多阶光纤模式复用的光纤STED显微镜。其特征是：它由激发光输入端口1、损耗光输入端口2、荧光输出端口3、多孔毛细管4、扇入扇出拉锥区5、异质多芯光纤6、低折射率套管7、模式转换拉锥区8、低模间串扰少模光纤9、扩束无芯光纤10、特制光纤聚焦透镜11和待测荧光物质12组成。本发明可用于超分辨率显微照明和成像系统，可广泛用于生物学和医学领域。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种基于多阶光纤模式复用的光纤STED显微镜，可用于超分辨率显微照明和成像系统，属于生物学和医学领域。
背景技术
随着现代生物科学和医疗科学的发展，研究者对微观结构观测提出了越来越高的要求，传统的光学显微镜受限于衍射极限无法分辨半波长尺度下的物质结构，在这种需求下赫尔于1994年提出了受激发射损耗(STED)显微成像技术，该技术的核心是在荧光物质在受光照产生荧光激发时，在激发光束外围叠加一个不同波长的环形光束(被称为STED光束，损耗光束)，该环形光束可以迫使其照射范围内的荧光染料原子做受激辐射，从而无法发出正常的荧光信号，而环形光束中央的暗区仍能正常发出荧光，该技术极大地缩小了显微镜的最小分辨尺寸，并且不受衍射效应限制，即在理论上暗心区域可以被调节至无限小，使其称为一项非常有应用潜力的显微技术。
目前市场上大部分STED显微技术均基于空间光调制器来产生环形的STED光束和使激发光束与STED光束保持同轴匹配。这种空间光式的实验方案是相当复杂的，实验前往往需要长时间地进行系统校正，并且实验中的干扰因素诸如，震动、温度变化等因素都会引起空间光路的响应进一步影响STED显微镜中环形光斑的位置和形状，这些因素都会导致整个STED系统的性能下降。正是因为传统的STED显微镜面临此类问题，基于光纤的STED显微镜应运而生，基于光纤的STED系统可大大简化系统的复杂度，提高系统的灵活性和稳定性，但同时如何在光纤中实现环形光束称为了主要问题。
光子灯笼是近十几年兴起的一种波导器件，能实现单模光纤与多模光纤之间模式低损耗耦合功能，是一种理想的光纤通信模分复用器件。光子灯笼连接单个多模波导与多个单模波导，一般通过低折射率毛细套管约束多根异质单模光纤熔融拉锥制备。光子灯笼是一种互易性器件，它既能实现将光纤的基模转换至特定高阶模式的模式复用器功能，也能实现将高阶模式解调并耦合至对应单模端口。
公布号为CN109752830B的专利提出了一种基于光纤的STED超分辨率显微照明装置，该发明使用空间光激发双包层光纤中光纤内包层的高阶模式，形成了环形光束，但其无法指定激发模式，仍需精细调节以实现环形光束。
公布号为CN111653380A的专利提出了一种基于单光纤的STED超分辨率显微成像装置。该发明使用螺旋光纤使得损耗光耦合至光纤涡旋模式，形成环形的输出光场而不影响激发光的出射状态。
公布号为CN111653378A的专利提出了一种基于多光纤光镊的STED超分辨率显微成像装置。该专利提出的方法是通过螺旋光纤将损耗光转换为光纤高阶涡旋模式，同时分布于待测粒子周围的多根单模光纤，又能利用光镊作用调节粒子的运动位置实现了一种高精度的STED显微镜。
本发明提出了一种基于多阶光纤模式复用的光纤STED显微镜。该器件利用异质多芯光纤制备成的光子灯笼，将单模输入端入射的损耗光转换为少模光纤的LP02模式，并利用该模式外环和内光斑分离的特点，针对性设计聚焦透镜，使LP02模式外环与内光斑同时聚焦于待测荧光物质表面，内外光波聚焦点之间具有π的相位差值，两者干涉构成了中央相干减弱边缘增强的环形光斑；同时，荧光激发光则通过光纤基模入射至样品表面，激发环形损耗光波中央的荧光物质；同时，物质的荧光能被少模光纤接收，返回至荧光输出端口，本器件实现了STED显微镜输入和输出端的集成，并且与其他光纤STED显微镜需要利用光纤高阶模式产生环形损耗光的方案不同，该损耗光模式在低模间串扰少模光纤弯曲、扭转、夹持下均能较好保持光斑形状，是一种具有巨大潜力的新型光纤STED显微器件。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于多阶光纤模式复用的光纤STED显微镜。
本发明的目的是这样实现的：
它由激发光输入端口1、损耗光输入端口2、荧光输出端口3、多孔毛细管4、扇入扇出拉锥区5、异质多芯光纤6、低折射率套管7、模式转换拉锥区8、低模间串扰少模光纤9、扩束无芯光纤10、特制光纤聚焦透镜11和待测荧光物质12组成，所述系统中激发光输入端口1注入与荧光物质匹配波长的激发光，该激发光经过双包层过渡光纤和多孔毛细管4插孔拉锥制备的扇入扇出拉锥区5，耦合至异质多芯光纤6中的某一纤芯，再经低折射率套管7和异质多芯光纤6组合拉锥成的模式转换拉锥区8，该激发光形成低模间串扰少模光纤9中的LP01基模，经过扩束无芯光纤10后入射至特制光纤聚焦透镜11后聚焦于待测荧光物质12，形成高斯分布的光斑；由损耗光输入端口2输入与荧光物质受激辐射损耗效应匹配波长的损耗光，同样经过扇入扇出拉锥区5和模式转换拉锥区8形成了少模光纤中的LP02模式，该光波经扩束无芯光纤10扩束后入射至特制光纤聚焦透镜11，由于高阶模式的发散角较大，所以LP02模的外环可被透镜边缘单独调制，经过调制后的LP02模式外环与内光斑同时聚焦于待测荧光物质12表面，内外光波聚焦点之间具有π的相位差值，两者干涉构成了中央相干减弱边缘增强的环形光斑；该损耗光的环形光斑抑制物质的荧光激发，而激发光的高斯光斑促进物质的荧光激发，环形光斑和高斯光斑重合的中央会形成一个小型的荧光激发区域，该区域产生的荧光同样会被光纤端接收，被光纤接收到的能量会反向通过整个器件，最终由荧光输出端口3输出至接收器。
下面将详细阐述LP02模式的形成机理、特制光纤聚焦透镜调制LP02模式的方法和荧光通过少模光纤反向传输至输出端口的原理。
光纤模分复用器(或称之为光子灯笼，Photon lantern，PL)是一种光纤束拉锥波导，它通常由多根单模光纤、低折射率多孔毛细管、少模光纤熔接拉锥制成，能将单模光纤中传导的基模转换为锥区末端少模光纤中的各阶模式。本发明专利使用由异质多芯光纤和低折射率套管形成的模式转换拉锥区做为光子灯笼进行模式转换。
模式转换拉锥区前端的异质多芯光纤含有多个不同的纤芯，单个纤芯的导模均为高斯基模。利用光子灯笼可以将异质多芯光纤中的单个光纤导模转换为光纤输出端标量模式，其中具有最大传播常数的纤芯中的模式可转移至少模光纤的LP01基模，具有最低传输常数的纤芯中的模式(当纤芯数量为6时)可转移至少模光纤的LP02模式。其余纤芯则分别对应着光纤的LP11a、LP11b、LP21a、LP21b四个模式，这些模式是两两简并的。
另外模式转换的基本原理为缓变结构中的绝热变换，即在一个形状参数和折射率剖面缓慢变化的光波导中，入射端的某个模式能无损地转换至输出端的某个同阶模式。整个拉锥区满足绝热耦合条件，如下所示
公式中的符号下标j和l分别代表导行基模和其他模式，β为局域模式的传输常数，Ψ为局域模式的归一化电磁场分布，k＝2π/λ为电磁波的波数，z为拉锥结构的轴向坐标，ρ为包层的收缩率，n为锥区的折射率分布函数，A为拉锥结构的横截面。该公式定义了一个与拉锥长度和形状表达式ρ(z)相关的判断条件，它可以衡量模式转换拉锥区的理论性能。
为了使得LP02模式可以在较长距离的少模光纤中无损耗地传输，本发明选择了低模间串扰少模光纤，该光纤可抑制LP01和LP02模式和其他模式的能量耦合，最大限度地保证输出端的这两个模式状态与输入端状态相同。其他模式则因为简并的原因不可避免的存在耦合现象。
特制光纤聚焦透镜的设计也有一些要求，其目的是保证损耗光的LP02模式的外环与内光斑均可聚焦于荧光待测物体表面，且两者相位差为π，使其可形成环形光斑。其加工方法可以是飞秒激光端面雕刻法，在无芯光纤端面不同位置雕刻不同参数的菲涅尔透镜，以形成干涉环形光斑。另外也可以使用增材制造的方法进行加工，例如双光子聚合纳米3D打印机等。
对荧光的收集也是本发明专利的重要创新点，待测荧光物质发出的荧光较为微弱，一般的收集方法为使用高数值孔径的物镜收集，本发明专利利用了成像光纤收集散射光波，通过反向通过整个器件输出至某单模端口。其中散射光波可反向通过器件，经由模式转换拉锥区和扇入扇出过渡区输出至荧光输出端口3，反馈光波中的激发光和损耗光分量可由滤光片去除。
所述的异质多芯光纤的部分纤芯的折射率、直径或折射率剖面类型不同，纤芯数量为N，N为整数，N≥3。
所述的异质多芯光纤中纤芯的折射率剖面是阶跃型、抛物线型、高斯型。
所述的模式转换拉锥区由特殊结构的异质多芯光纤插入低折射率套管中拉锥制成，其拉锥结构满足绝热转换条件，可以将输入端的高斯基模转换为少模光纤中的标量模式，并且两者具有一一对应关系。
所述的异质多芯光纤的包层结构是单包层或者双包层，在模式转换拉锥区末端收缩后的内包层边界形成的光纤结构与后端输出少模光纤实现模场面积与数值孔径的匹配。
所述的异质多芯光纤中纤芯之间存在气孔、小芯径纤芯结构，目的是控制其对称超模与反对称超模在模式转化拉锥区中的相位差值。超模之间的相位差值与纤芯的端面结构有着显著的关系，如果更改纤芯距离、增加纤芯气孔或增加辅助纤芯可使得超模间在锥区的演化不同，其相位差值也不同。
所述的少模光纤是单芯少模或多芯少模光纤，当其为多芯少模光纤时，前端所匹配的模式转换拉锥区、扇入扇出拉锥区、输入输出光纤均使用多份，构成一种阵列型STED显微镜。与传统的光纤束形式的光子灯笼相比，基于异质多芯光纤的光子灯笼增加了集成度和器件的稳定性，使得多芯少模光子灯笼成为可能。否则以七芯六模为例，共计需要将42根不同单模光纤插入低折射率掺氟管中，并且要控制锥角形状，这显然是不可能的，只有使用多根异质多芯光纤并配合扇入扇出器件，才能实现一次拉锥多个光子灯笼的设计构成阵列式STED显微镜系统。
所述的光纤聚焦透镜是球型透镜、光纤端菲涅尔透镜或光纤磨锥透镜，其特点是可将LP02模式的外环和内部光斑同时聚焦于焦平面，且聚焦点处两者相位相反。
与其他类型的光纤STED显微镜相比，本发明提供了一种可自由活动的低模间串扰光纤，该光纤在使用时可以移动、弯曲、扭转，缩小了成像镜头的尺寸，拓展了器件的使用范围，为更大尺度显微成像提供了可能。
本发明提出了一种基于多阶光纤模式复用的光纤STED显微镜。该器件利用异质多芯光纤制备成的光子灯笼，将单模输入端入射的损耗光转换为少模光纤的LP02模式，并利用该模式外环和内光斑分离的特点，针对性设计聚焦透镜，使LP02模式外环与内光斑同时聚焦于待测荧光物质表面，内外光波聚焦点之间具有π的相位差值，两者干涉构成了中央相干减弱边缘增强的环形光斑；同时，荧光激发光则通过光纤基模入射至样品表面，激发环形损耗光波中央的荧光物质；同时，物质的荧光能被少模光纤接收，返回至单模荧光输出端口，本器件实现了STED显微镜输入和输出端的集成，并且与其他光纤STED显微镜需要利用光纤高阶模式产生环形损耗光的方案不同，该损耗光模式在低模间串扰少模光纤弯曲、扭转、夹持下均能较好保持光斑形状，是一种具有巨大潜力的新型光纤STED显微器件。
附图说明
图1是一种基于多阶光纤模式复用的光纤STED显微镜的整体结构图。它由激发光输入端口1、损耗光输入端口2、荧光输出端口3、多孔毛细管4、扇入扇出拉锥区5、异质多芯光纤6、低折射率套管7、模式转换拉锥区8、低模间串扰少模光纤9、扩束无芯光纤10、特制光纤聚焦透镜11和待测荧光物质12组成。
图2是一种基于多阶光纤模式复用的光纤STED显微镜中模式转换拉锥区和扇入扇出过渡区的剖面示意图。
图3是本发明使用的异质多芯光纤端面示意图，(a)异质六芯光纤、(b)异质三芯光纤、(c)双包层异质六芯光纤(d)双包层异质三芯光纤、(e)双包层异质五芯光纤、(f)双包层异质十芯光纤。其中，图(e)光纤截面的中央是包层或气孔。
图4是模式转换拉锥区中各剖面的本征模式的传播常数图。其曲线由上至下，分别是少模端LP01模对应的多芯超模，少模端LP11a和LP11b模对应的多芯超模，少模端LP21a和LP21b模对应的多芯超模，少模端LP02模对应的多芯超模传播常数随拉锥比例变化图。
图5是模式转换拉锥区中光束演化过程图。拉锥区左端的异质多芯光纤中各纤芯的高斯导模逐步演化为右端的光纤少模，该过程是互易的。图右端为少模光纤各模式的模场分布图。
图6是一种基于多阶光纤模式复用的光纤STED显微镜中模式转换拉锥区的转换效率和噪声结果图。竖列的图片为少模光纤中的标准模式，横行的图片为单模光纤注入后光子灯笼输出的图样，图中的数据为两组模式间的积分结果。图中的对角线上的数据代表了涡旋模式在模式转换拉锥区中的损耗，非对角线上的数据代表了少模模式在模式转换拉锥区中的信号串扰。输出光纤模式的纯度均大于95％。图中的数据单位为dB。
图7是光纤LP02模式经过特制光纤聚焦透镜，形成环形光斑的示意图，图中不同的线段代表了不同组分的光波，两组光波聚焦后形成环形损耗光束。
具体实施方式
下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。
实施例1：一种基于多阶光纤模式复用的光纤STED显微镜的设计；
其中低模间串扰少模光纤使用芯径为18.5um，数值孔径为0.12的六模光纤。其可以容纳LP01、LP11a、LP11b、LP21a、LP21b、LP02六个模式。异质多芯光纤的纤芯数量为6，各纤芯的芯径为11um，9um，9um，8um，8um，6.5um。包层折射率为1.444，纤芯包层数值孔径为0.12。低折射率套管的折射率为1.439，该套管内径等于异质多芯光纤的外径，为125um。
将异质多芯光纤插入低折射率套管中进行绝热拉锥，即可获得模式转换拉锥区。拉锥的形状和长度可由仿真确定。典型锥长为4cm，锥形为线性锥。
扇入扇出过渡区由双包层过渡光纤插入多孔毛细中拉锥制备得到。
扩束无芯光纤的长度为150um至300um。
特制光纤聚焦透镜的具体参数应当按照有限元仿真的结果确定。
典型的特制光纤聚焦透镜使用菲涅尔透镜。
由端口1输入器件的激发光，经过扇入扇出过渡区和模式转换拉锥区变为少模光纤的LP01基模，并由特制光纤聚焦透镜聚焦后照射在待测荧光物质表面，形成高斯光斑；由端口2输入器件的损耗光，经过扇入扇出过渡区和模式转换拉锥区变为少模光纤的LP02模式，该模式的发散角比较大，故特制光纤聚焦透镜边缘仅作用于LP02模式的外环，经过透镜的LP02模式外环和中央光斑聚焦于待测荧光物质表面，形成环形光斑；环形光斑与高斯光斑是天然同轴的，故仅有环形光斑中央的一小部分可激发荧光，该暗环的尺度小于光学衍射极限。
由荧光待测物质发出的荧光，入射至少模光纤，其中属于LP11a、LP11b、LP21a、LP21b模式的光波可以反向穿过器件，由模式转换拉锥区和扇入扇出区输出至3端口，再利用滤光片等手段可以去除激发光和损耗光的干扰，实现超分辨率成像。
Claims (8)
1.一种基于多阶光纤模式复用的光纤STED显微镜，其特征是：它由激发光输入端口(1)、损耗光输入端口(2)、荧光输出端口(3)、多孔毛细管(4)、扇入扇出拉锥区(5)、异质多芯光纤(6)、低折射率套管(7)、模式转换拉锥区(8)、低模间串扰少模光纤(9)、扩束无芯光纤(10)、特制光纤聚焦透镜(11)和待测荧光物质(12)组成，所述系统中激发光输入端口(1)注入与荧光物质匹配波长的激发光，该激发光经过双包层过渡光纤和多孔毛细管(4)插孔拉锥制备的扇入扇出拉锥区(5)，耦合至异质多芯光纤(6)中的某一纤芯，再经低折射率套管(7)和异质多芯光纤(6)组合拉锥成的模式转换拉锥区(8)，该激发光形成低模间串扰少模光纤(9)中的LP01基模，经过扩束无芯光纤(10)后入射至特制光纤聚焦透镜(11)后聚焦于待测荧光物质(12)，形成高斯分布的光斑；由损耗光输入端口(2)输入与荧光物质受激辐射损耗效应匹配波长的损耗光，同样经过扇入扇出拉锥区(5和模式转换拉锥区(8)形成了少模光纤中的LP02模式，该光波经扩束无芯光纤(10)扩束后入射至特制光纤聚焦透镜(11)，由于高阶模式的发散角较大，所以LP02模的外环可被透镜边缘单独调制，经过调制后的LP02模式外环与内光斑同时聚焦于待测荧光物质(12)表面，内外光波聚焦点之间具有π的相位差值，两者干涉构成了中央相干减弱边缘增强的环形光斑；该损耗光的环形光斑抑制物质的荧光激发，而激发光的高斯光斑促进物质的荧光激发，环形光斑和高斯光斑重合的中央会形成一个小型的荧光激发区域，该区域产生的荧光同样会被光纤端接收，被光纤接收到的能量会反向通过整个器件，最终由荧光输出端口(3)输出至接收器。
2.根据权利要求1所述的一种基于多阶光纤模式复用的光纤STED显微镜，其特征是：所述的异质多芯光纤的部分纤芯的折射率、直径或折射率剖面类型不同，纤芯数量为N，N为整数，N≥3。
3.根据权利要求1所述的一种基于多阶光纤模式复用的光纤STED显微镜，其特征是：所述的异质多芯光纤中纤芯的折射率剖面是阶跃型、抛物线型、高斯型。
4.根据权利要求1所述的一种基于多阶光纤模式复用的光纤STED显微镜，其特征是：所述的模式转换拉锥区由特殊结构的异质多芯光纤插入低折射率套管中拉锥制成，其拉锥结构满足绝热转换条件，可以将输入端的高斯基模转换为少模光纤中的标量模式，并且两者具有一一对应关系。
5.根据权利要求1所述的一种基于多阶光纤模式复用的光纤STED显微镜，其特征是：所述的异质多芯光纤的包层结构是单包层或者双包层，在模式转换拉锥区末端收缩后的内包层边界形成的光纤结构与后端输出少模光纤实现模场面积与数值孔径的匹配。
6.根据权利要求1所述的一种基于多阶光纤模式复用的光纤STED显微镜，其特征是：所述的异质多芯光纤中纤芯之间存在气孔、小芯径纤芯结构，目的是控制其对称超模与反对称超模在模式转化拉锥区中的相位差值。
7.根据权利要求1所述的一种基于多阶光纤模式复用的光纤STED显微镜，其特征是：所述的少模光纤是单芯少模或多芯少模光纤，当其为多芯少模光纤时，前端所匹配的模式转换拉锥区、扇入扇出拉锥区、输入输出光纤均使用多份，构成一种阵列型STED显微镜。
8.根据权利要求1所述的一种基于多阶光纤模式复用的光纤STED显微镜，其特征是：所述的光纤聚焦透镜是球型透镜、光纤端菲涅尔透镜或光纤磨锥透镜，其特点是可将LP02模式的外环和内部光斑同时聚焦于焦平面，且聚焦点处两者相位相反。
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