CN117555081A - 一种多光子显微镜及多光子显微成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种多光子显微镜及多光子显微成像系统，涉及光学器件技术领域，通过对激发光脉冲施加光谱预展宽，可以平衡光纤中非线性效应引入的光谱压缩与脉宽展宽，从而提高激发光传递装置所能支持的脉冲能量；通过使用具有更大模场面积的光纤，可以进一步抑制非线性效应，从而同时增加所能支持的光纤长度，以提升多光子显微镜性能。并且使用啁啾长周期光纤光栅和光纤中高阶模式对激发光脉冲施加负啁啾，从而取代当前主流技术方案中的色散装置；同时使用波分复用器取代二向色镜，以加大多光子显微镜的光纤化比重，进而提升长时间稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及光学器件技术领域，更具体地说，涉及一种多光子显微镜及多光子显微成像系统。
背景技术
由于在深度生物组织成像中有着高分辨率、高信噪比、以及弱光漂白的特性，多光子显微成像技术在生物学及医学方面，尤其是神经科学分支领域，发挥着重要作用。小型化多光子显微镜有助于发展内窥多光子显微成像系统，从而实现对病患体内病灶进行微创甚至无创观测，同样小型化多光子显微镜也有助于发展穿戴式多光子显微成像系统，其中头戴式多光子显微成像系统目前主要用于实时观测处于自由活动状态的动物（比如：老鼠）的神经活动。
那么，如何优化多光子显微镜的结构，以提升多光子显微镜的性能是本领域技术人员亟需解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，为解决上述问题，本发明提供一种多光子显微镜及多光子显微成像系统，技术方案如下：
一种多光子显微镜，所述多光子显微镜包括：波分复用器、全固石英双包层光纤、第一啁啾长周期光纤光栅、探头和荧光接收装置；
所述波分复用器包括第一尾纤、第二尾纤和第三尾纤，所述第一尾纤为单模光纤，所述第二尾纤和所述第三尾纤与所述全固石英双包层光纤的光纤类型相同；
所述全固石英双包层光纤包括纤芯、包覆所述纤芯的内包层、以及包覆所述内包层的外包层；所述纤芯为单模波导，所述纤芯和所述内包层构成多模波导；
所述第一尾纤用于接收激发光脉冲，所述第二尾纤与所述全固石英双包层光纤连接，所述第三尾纤与所述荧光接收装置连接；
所述第一啁啾长周期光纤光栅固定在所述全固石英双包层光纤的一端，且相邻所述波分复用器；
其中，所述波分复用器用于将所述激发光脉冲传输至所述全固石英双包层光纤的纤芯中，所述激发光脉冲运转于基模；
所述第一啁啾长周期光纤光栅用于将所述激发光脉冲的能量从所述基模转化为高阶模式；运转于所述高阶模式的激发光脉冲在所述多模波导中传输，并通过所述探头入射至生物样本产生荧光光束；
所述探头用于采集所述荧光光束；所述荧光光束通过所述多模波导传输至所述波分复用器；
所述波分复用器还用于将所述荧光光束反射至所述荧光接收装置；
所述荧光接收装置用于对所述荧光光束进行分析处理。
优选的，在上述多光子显微镜中，所述多光子显微镜还包括：第二啁啾长周期光纤光栅；
所述第二啁啾长周期光纤光栅固定在所述全固石英双包层光纤的另一端，且相邻所述探头；
所述第二啁啾长周期光纤光栅用于将运转于所述高阶模式的激发光脉冲的能量从所述高阶模式转化为所述基模；运转于所述基模的激发光脉冲在所述单模波导中传输，并通过所述探头入射至所述生物样本产生荧光光束。
优选的，在上述多光子显微镜中，所述第二尾纤和所述全固石英双包层光纤的折射率分布相同；
所述第三尾纤和所述全固石英双包层光纤的折射率分布相同。
优选的，在上述多光子显微镜中，所述多光子显微镜还包括：激发光源；
所述激发光源用于输出所述激发光脉冲。
优选的，在上述多光子显微镜中，所述激发光源为飞秒激光器。
优选的，在上述多光子显微镜中，所述多光子显微镜还包括：
位于所述激发光源和所述第一尾纤之间的第一透镜；
所述第一透镜用于对所述激发光脉冲进行聚焦处理，并将聚焦处理后的激发光脉冲耦合进所述第一尾纤。
优选的，在上述多光子显微镜中，所述第一透镜的工作波段为750nm-1300nm。
优选的，在上述多光子显微镜中，所述多光子显微镜还包括：
位于所述第三尾纤和所述荧光接收装置之间的第二透镜；
所述第二透镜用于对所述荧光光束进行准直处理，并将准直处理后的荧光光束传输至所述荧光接收装置。
优选的，在上述多光子显微镜中，所述第二透镜的工作波段为400nm-700nm。
本申请还提供了一种多光子显微成像系统，所述多光子显微成像系统包括上述任一项所述的多光子显微镜。
相较于现有技术，本发明实现的有益效果为：
本发明提供的一种多光子显微镜及多光子显微成像系统中，第一尾纤为单模光纤，全固石英双包层光纤的纤芯为单模波导，在激发光脉冲入射至第一啁啾长周期光纤光栅之前，激发光脉冲在纤芯中以基模（LP01）传导，其模场面积小，产生明显的非线性效应，从而预展宽光谱，并用以平衡后续光纤中非线性效应引入的光谱压缩与脉宽展宽，这可以提高激发光传递装置所能支持的脉冲能量；通过使用具有大模场面积的LP0m高阶模式，可以有效降低非线性效应的积累速率，从而增加所能支持的光纤长度；进一步的，使用啁啾长周期光纤光栅和光纤中LP0m高阶模式对激发光脉冲施加负啁啾，并使用波分复用器实现激发光脉冲与荧光光束的分光功能，这可以加大系统的光纤化比重，从而提升长时间稳定性。
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，下面将对实施例或现有技术描述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的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为现有技术中一种小型化多光子显微镜的原理结构示意图；
图2为图1所示的小型化多光子显微镜中所采用的双包层光子晶体光纤的截面示意图；
图3为本发明实施例提供的一种多光子显微镜的原理结构示意图；
图4为本发明实施例提供的另一种多光子显微镜的原理结构示意图；
图5为本发明实施例提供的一种全固石英双包层光纤的截面示意图。
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。
参考图1，图1为现有技术中一种小型化多光子显微镜的原理结构示意图，其中实线箭头表示激发光脉冲的传输路径，虚线箭头表示荧光光束的传输路径，参考图2，图2为图1所示的小型化多光子显微镜中所采用的双包层光子晶体光纤的截面示意图，在本发明的发明创造过程中发现，如图1所示，现有技术中主流的小型化多光子显微镜包含飞秒激光器、色散装置、二向色镜、透镜组、双包层光子晶体光纤、探头和荧光接收装置，其中色散装置、二向色镜、透镜组、双包层光子晶体光纤和探头组成了激发光脉冲传递装置；探头、双包层光子晶体光纤、透镜组和二向色镜组成了荧光光束传递装置。
其中飞秒激光器充当激发光源，其产生变换极限超短脉冲，即产生激发光脉冲。
色散装置通常由光栅或棱镜构成，其作用是对激发光脉冲施加负啁啾，以补偿双包层光子晶体光纤及其它各光学器件由色散效应造成的脉冲展宽，并抑制激发光脉冲在双包层光子晶体光纤中的非线性效应，从而使激发光脉冲在飞秒激光器的输出端和生物样本处的脉宽与光谱宽度基本一致。
二向色镜主要是透射激发光脉冲，反射荧光光束。
透镜组主要是对激发光脉冲进行聚焦，将其高效率耦合进双包层光子晶体光纤中；并对荧光光束进行准直，使其成为平行光束。
双包层光子晶体光纤如图2所示，从内至外主要包括纤芯、内包层和外包层。纤芯为单模波导，只能够传导基模（LP01），且模场面积可高达大约700μm2；纤芯和内包层共同构成大尺寸、高数值孔径的多模波导。其中激发光脉冲在纤芯中以基模（LP01）传导，基模（LP01）的色散效应使具有负啁啾的激发光脉冲的脉宽逐渐被压缩，从而使激发光脉冲在飞秒激光器的输出端和生物样本处的脉宽基本一致；基模（LP01）的大模场面积有助于抑制激发光脉冲的非线性效应，从而使激发光脉冲在飞秒激光器的输出端和生物样本处的光谱宽度基本一致。
探头主要是将激发光脉冲聚焦于生物样本内，并在指定区域进行扫描；还用于收集荧光光束，并将其高效率耦合进双包层光子晶体光纤中由纤芯和内包层共同构成的多模波导中。
荧光接收装置主要是对接收的荧光光束进行分析处理，实时生成成像结果。
但是，申请人发现图1所示的小型化多光子显微镜中激发光脉冲传递装置无法同时支持高脉冲能量及长光纤长度，从而会降低小型化多光子显微镜的性能。具体说来，虽然双包层光子晶体光纤内纤芯中基模（LP01）的大模场面积有助于抑制激发光脉冲的非线性效应，但却无法将其完全消除。相比于飞秒激光器直接输出的脉冲特性，该非线性效应对生物样本处的激发光脉冲引入光谱压缩与脉宽展宽，进而降低荧光光束强度与成像深度。为了将非线性效应限制在可接受范围内，从而保证生物样本处的激发光脉冲特性尽可能与飞秒激光器直接输出的激发光脉冲特性一致，当双包层光子晶体光纤的长度大约为1m以基本满足应用场景（包括内窥探测、以及自由活动状态下动物神经活动的观测）对光纤长度需求时，激发光脉冲传递装置所能支持的脉冲能量数量级仅为1nJ，这将限制成像深度；而当提升脉冲能量以增加成像深度时，光纤长度需要减小，这将无法满足应用场景对光纤长度的需求。
并且，图1所示的小型化多光子显微镜中使用大量空间光路器件，包括色散装置和二向色镜，这不利于小型化多光子显微镜保持长时间的稳定。
进一步的，位于二向色镜与双包层光子晶体光纤之间的透镜组需要同时在激发光脉冲的波段（波段范围为750nm-1300nm）与荧光波段（波段范围为400nm-700nm）具有高透过率，其造价高，不利于控制成本；并且双包层光子晶体光纤的制作过程复杂，造价高，同样不利于控制成本。
基于此，在本发明实施例中提供了一种新型的多光子显微镜及多光子显微成像系统，解决了现有技术中存在的技术问题，可极大程度的提升多光子显微镜的性能，进而提升多光子显微成像系统的性能，且多光子显微镜的制备成本较低。
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。
参考图3，图3为本发明实施例提供的一种多光子显微镜的原理结构示意图，参考图4，图4为本发明实施例提供的另一种多光子显微镜的原理结构示意图，参考图5，图5为本发明实施例提供的一种全固石英双包层光纤的截面示意图，图3和图4中实线箭头表示激发光脉冲的传输路径，虚线箭头表示荧光光束的传输路径，也就是说在本发明实施例中主要提供了两种不同形式的多光子显微镜，下面对图3所示的多光子显微镜和对图4所示的多光子显微镜分别进行阐述说明。
基于图3所示的多光子显微镜而言，本发明实施例提供的多光子显微镜包括：波分复用器11、全固石英双包层光纤12、第一啁啾长周期光纤光栅13、第二啁啾长周期光纤光栅14、探头15和荧光接收装置16。
波分复用器11包括第一尾纤111、第二尾纤112和第三尾纤113，第一尾纤111为单模光纤，第二尾纤112和第三尾纤113与全固石英双包层光纤12的光纤类型相同。
如图5所示，全固石英双包层光纤12包括纤芯、包覆纤芯的内包层、以及包覆内包层的外包层；纤芯为单模波导，纤芯和内包层构成多模波导。
第一尾纤111用于接收激发光脉冲，第二尾纤112与全固石英双包层光纤12连接，第三尾纤113与荧光接收装置16连接。
第一啁啾长周期光纤光栅13固定在全固石英双包层光纤12的一端，且相邻波分复用器11；第二啁啾长周期光纤光栅14固定在全固石英双包层光纤12的另一端，且相邻探头15。
其中，波分复用器11用于将激发光脉冲传输至全固石英双包层光纤12的纤芯中，激发光脉冲运转于基模（LP01）。
第一啁啾长周期光纤光栅13用于将激发光脉冲的能量从基模（LP01）转化为LP0m高阶模式；运转于LP0m高阶模式的激发光脉冲在多模波导中传输，第二啁啾长周期光纤光栅14用于将运转于LP0m高阶模式的激发光脉冲的能量从LP0m高阶模式转化为基模（LP01）；运转于基模（LP01）的激发光脉冲在单模波导中传输，并通过探头15入射至生物样本产生荧光光束。
探头15用于采集荧光光束；荧光光束通过多模波导传输至波分复用器11。
波分复用器11还用于将荧光光束反射至荧光接收装置16。
荧光接收装置16用于对荧光光束进行分析处理。
如图3所示，多光子显微镜还包括：激发光源17；激发光源17用于输出激发光脉冲。
在本发明一可选实施例中，激发光源17包括但不限定于飞秒激光器。
如图3所示，多光子显微镜还包括：位于激发光源17和第一尾纤111之间的第一透镜18。
第一透镜18用于对激发光脉冲进行聚焦处理，并将聚焦处理后的激发光脉冲耦合进第一尾纤111。
在本发明一可选实施例中，第一透镜18的工作波段为750nm-1300nm，也可以理解第一透镜18为近红外透镜。
如图3所示，多光子显微镜还包括：位于第三尾纤113和荧光接收装置16之间的第二透镜19。
第二透镜19用于对荧光光束进行准直处理，并将准直处理后的荧光光束传输至荧光接收装置16。
在本发明一可选实施例中，第二透镜19的工作波段为400nm-700nm，也可以理解第二透镜19为可见光透镜。
具体的，在本发明实施例中包括但不限定于采用飞秒激光器作为激发光源17，用于产生激发光脉冲；第一透镜18、波分复用器11、第一啁啾长周期光纤光栅13、全固石英双包层光纤12、第二啁啾长周期光纤光栅14以及探头15组成激发光传递装置；探头15、全固石英双包层光纤12、波分复用器11以及第二透镜19组成荧光光束传递装置。
其中激发光源17用于产生变换极限超短脉冲，即产生激发光脉冲，波长位于近红外波段（波长<1300nm），脉冲能量量级为10nJ-1μJ，脉宽大约为50fs-100fs。
第一透镜18用于对激发光脉冲进行聚焦处理，并将聚焦处理后的激发光脉冲耦合进波分复用器11的第一尾纤111中。
第二透镜19用于对荧光光束进行准直处理，使其成为平行光束，并将准直处理后的荧光光束传输至荧光接收装置16。
波分复用器11靠近激发光源一侧的第一尾纤111为单模光纤，远离激发光源一侧的第二尾纤112和第三尾纤113与全固石英双包层光纤12的光纤类型相同，即第二尾纤112和第三尾纤113也都为全固石英双包层光纤，第二尾纤112和全固石英双包层光纤12的折射率分布相同；第三尾纤113和全固石英双包层光纤12的折射率分布相同。其中波分复用器11用于透射激发光脉冲，将其传输至全固石英双包层光纤12的纤芯中，激发光脉冲在光纤类型为单模光纤的第一尾纤111和光纤类型为全固石英双包层光纤的第二尾纤112中会产生明显的非线性效应，从而展宽光谱；波分复用器11还用于反射荧光光束，荧光光束在被波分复用器11反射之前，在全固石英双包层光纤12的多模波导中传输，在被波分复用器11反射之后，在第三尾纤113的多模波导中传输，最终被荧光接收装置16所接收，对其进行分析处理。由于荧光光束始终在由纤芯和内包层共同构成的多模波导中传输，其大尺寸、高数值孔径特性有助于提高荧光光束的收集效率。
啁啾长周期光纤光栅将激发光脉冲的能量在基模（LP01）与LP0m高阶模式之间进行转化，转化效率>99%，并与LP0m高阶模式共同对激发光脉冲施加负啁啾，以补偿光纤中基模（LP01）传导部分及其它各光学器件由色散和非线性效应造成的脉冲展宽。
如图5所示，全固石英双包层光纤12包括纤芯、包覆纤芯的内包层、以及包覆内包层的外包层；纤芯为单模波导，纤芯和内包层构成多模波导。单模波导的纤芯只能够传导基模（LP01），其模场面积的数量级为10μm2。纤芯和内包层共同构成大尺寸、高数值孔径的多模波导，其可以稳定传导LP0m高阶模式，该类模式的模场面积可以高达大约5000μm2。在第一啁啾长周期光纤光栅13和第二啁啾长周期光纤光栅14之间的激发光脉冲运转于LP0m高阶模式，其大模场面积有助于抑制非线性效应，从而增加所能支持的光纤长度。在入射至第一啁啾长周期光纤光栅13之前，激发光脉冲运转于基模（LP01），其模场面积小（数量级为10μm2），产生明显的非线性效应，从而展宽光谱。通过第二啁啾长周期光纤光栅14后的激发光脉冲同样运转于基模（LP01），并产生明显的非线性效应。由于激发光脉冲在这一阶段具有负啁啾，在负啁啾与非线性效应的共同作用下，光谱得到压缩，从而使激发光脉冲在其输出端（激发光源的输出端）和生物样本处的光谱宽度基本一致。与此同时，基模（LP01）的色散效应使具有负啁啾的激发光脉冲的脉宽逐渐被压缩，从而使激发光脉冲在其输出端和生物样本处的脉宽基本一致。
探头15主要包括微型准直透镜和反射镜、微型光束扫描装置（比如：微机电系统反射镜）、以及微型物镜，主要是将激发光脉冲聚焦于生物样本内，并在指定区域进行扫描；还用于收集荧光光束，并将其高效率耦合进全固石英双包层光纤12中由纤芯和内包层共同构成的多模波导中。
荧光接收装置16主要包含滤波片、透镜、光电倍增管、数据采集卡及荧光信号分析软件等，主要是对接收的荧光光束进行分析处理，实时生成成像结果。
需要说明的是，波分复用器11的第二尾纤112与全固石英双包层光纤12之间通过熔接的方式进行连接，形成熔接点，保证激发光脉冲和荧光光束在波分复用器11的全固石英双包层尾纤与带有啁啾长周期光纤光栅的全固石英双包层光纤12之间几乎无损耗地传输。在通过熔接点前后，激发光脉冲均在纤芯中以基模（LP01）传导，而荧光光束均在由纤芯和内包层共同构成的多模波导中传导。
综上所述，基于图3所示的多光子显微镜而言，从靠近激发光源17一侧的波分复用器11的第一尾纤111的端点至第一啁啾长周期光纤光栅13这一段激发光脉冲在纤芯中以基模（LP01）传导，其模场面积小（数量级为10μm2），会产生明显的非线性效应，从而预展宽光谱。从第一啁啾长周期光纤光栅13至第二啁啾长周期光纤光栅14这一段激发光脉冲在由纤芯和内包层共同构成的多模波导中以LP0m高阶模式传导，其模场面积可以高达大约5000μm2，而且第一啁啾长周期光纤光栅13会使激发光脉冲在这一阶段具有强负啁啾。在大模场面积与强负啁啾的协同作用下，激发光脉冲几乎不会产生非线性效应。第一啁啾长周期光纤光栅13、第二啁啾长周期光纤光栅14和处于二者中间的全固石英双包层光纤12可以视为一个整体，啁啾长周期光纤光栅和LP0m高阶模式的色散效应对激发光脉冲施加负啁啾，以补偿全固石英双包层光纤12中基模（LP01）传导部分及其它各光学器件由色散和非线性效应造成的脉冲展宽。从第二啁啾长周期光纤光栅14至探头15这一段激发光脉冲在纤芯中以基模（LP01）传导，其模场面积小（数量级为10μm2），会产生明显的非线性效应。在负啁啾与非线性效应的共同作用下，光谱得到压缩，从而使激发光脉冲在其输出端和生物样本处的光谱宽度基本一致。与此同时，基模（LP01）的色散效应使具有负啁啾的激发光脉冲的脉宽逐渐被压缩，从而使激发光脉冲在其输出端和生物样本处的脉宽基本一致。
基于图4所示的多光子显微镜而言，本发明实施例提供的多光子显微镜包括：波分复用器11、全固石英双包层光纤12、第一啁啾长周期光纤光栅13、探头15和荧光接收装置16。
波分复用器11包括第一尾纤111、第二尾纤112和第三尾纤113，第一尾纤111为单模光纤，第二尾纤112和第三尾纤113与全固石英双包层光纤12的光纤类型相同。
如图5所示，全固石英双包层光纤12包括纤芯、包覆纤芯的内包层、以及包覆内包层的外包层；纤芯为单模波导，纤芯和内包层构成多模波导。
第一尾纤111用于接收激发光脉冲，第二尾纤112与全固石英双包层光纤12连接，第三尾纤113与荧光接收装置16连接。
第一啁啾长周期光纤光栅13固定在全固石英双包层光纤12的一端，且相邻波分复用器11。
其中，波分复用器11用于将激发光脉冲传输至全固石英双包层光纤12的纤芯中，激发光脉冲运转于基模（LP01）。
第一啁啾长周期光纤光栅13用于将激发光脉冲的能量从基模（LP01）转化为LP0m高阶模式；运转于LP0m高阶模式的激发光脉冲在多模波导中传输，并通过探头15入射至生物样本产生荧光光束。
探头15用于采集荧光光束；荧光光束通过多模波导传输至波分复用器11。
波分复用器11还用于将荧光光束反射至荧光接收装置16。
荧光接收装置16用于对荧光光束进行分析处理。
如图4所示，多光子显微镜还包括：激发光源17；激发光源17用于输出激发光脉冲。
在本发明一可选实施例中，激发光源17包括但不限定于飞秒激光器。
如图4所示，多光子显微镜还包括：位于激发光源17和第一尾纤111之间的第一透镜18。
第一透镜18用于对激发光脉冲进行聚焦处理，并将聚焦处理后的激发光脉冲耦合进第一尾纤111。
在本发明一可选实施例中，第一透镜18的工作波段为750nm-1300nm，也可以理解第一透镜18为近红外透镜。
如图4所示，多光子显微镜还包括：位于第三尾纤113和荧光接收装置16之间的第二透镜19。
第二透镜19用于对荧光光束进行准直处理，并将准直处理后的荧光光束传输至荧光接收装置16。
在本发明一可选实施例中，第二透镜19的工作波段为400nm-700nm，也可以理解第二透镜19为可见光透镜。
具体的，在本发明实施例中LP0m高阶模式是贝塞尔光束，与基模（LP01）不同，其在自由空间的传播具有无衍射和自修复的特性，这在容积多光子显微成像中具有重要作用，所以可以考虑直接使用LP0m高阶模式照射在生物样本内。
其中，在本发明实施例中包括但不限定于采用飞秒激光器作为激发光源17，用于产生激发光脉冲；第一透镜18、波分复用器11、第一啁啾长周期光纤光栅13、全固石英双包层光纤12以及探头15组成激发光传递装置；探头15、全固石英双包层光纤12、波分复用器11以及第二透镜19组成荧光光束传递装置。
其中激发光源17用于产生变换极限超短脉冲，即产生激发光脉冲，波长位于近红外波段（波长<1300nm），脉冲能量量级为10nJ-1μJ，脉宽大约为50fs-100fs。
第一透镜18用于对激发光脉冲进行聚焦处理，并将聚焦处理后的激发光脉冲耦合进波分复用器11的第一尾纤111中。
第二透镜19用于对荧光光束进行准直处理，使其成为平行光束，并将准直处理后的荧光光束传输至荧光接收装置16。
波分复用器11靠近激发光源17一侧的第一尾纤111为单模光纤，远离激发光源17一侧的第二尾纤112和第三尾纤113与全固石英双包层光纤12的光纤类型相同，即第二尾纤112和第三尾纤113也都为全固石英双包层光纤，第二尾纤112和全固石英双包层光纤12的折射率分布相同；第三尾纤113和全固石英双包层光纤12的折射率分布相同。其中波分复用器11用于透射激发光脉冲，将其传输至全固石英双包层光纤12的纤芯中，激发光脉冲在光纤类型为单模光纤的第一尾纤111和光纤类型为全固石英双包层光纤的第二尾纤112中会产生明显的非线性效应，从而展宽光谱；波分复用器11还用于反射荧光光束，荧光光束在被波分复用器11反射之前，在全固石英双包层光纤12的多模波导中传输，在被波分复用器11反射之后，在第三尾纤113的多模波导中传输，最终被荧光接收装置16所接收，对其进行分析处理。由于荧光光束始终在由纤芯和内包层共同构成的多模波导中传输，其大尺寸、高数值孔径特性有助于提高荧光光束的收集效率。
啁啾长周期光纤光栅将激发光脉冲的能量在基模（LP01）与LP0m高阶模式之间进行转化，转化效率>99%，并对激发光脉冲施加负啁啾，以补偿光纤及其它各光学器件由色散和非线性效应造成的脉冲展宽。
如图5所示，全固石英双包层光纤12包括纤芯、包覆纤芯的内包层、以及包覆内包层的外包层；纤芯为单模波导，纤芯和内包层构成多模波导。单模波导的纤芯只能够传导基模（LP01），其模场面积的数量级为10μm2。纤芯和内包层共同构成大尺寸、高数值孔径的多模波导，其可以稳定传导LP0m高阶模式，该类模式的模场面积可以高达大约5000μm2。在入射至第一啁啾长周期光纤光栅13之前，激发光脉冲运转于基模（LP01），其模场面积小（数量级为10μm2），产生明显的非线性效应，从而展宽光谱。
从第一啁啾长周期光纤光栅13至探头15这一段激发光脉冲运转于LP0m高阶模式。LP0m高阶模式的色散效应使具有负啁啾的激发光脉冲的脉宽逐渐被压缩，从而使激发光脉冲在其输出端（激发光源的输出端）和生物样本处的脉宽基本一致。与此同时，随着脉宽的压缩，非线性效应逐渐得到明显积累，由于激发光脉冲在这一阶段具有负啁啾，在负啁啾与非线性效应的共同作用下，光谱得到压缩，从而使激发光脉冲在其输出端和生物样本处的光谱宽度基本一致。此外，LP0m高阶模式具有大模场面积，必须长距离传输才能产生所需的非线性效应，从而增加多光子显微镜所能支持的光纤长度。
探头15主要包括微型准直透镜和反射镜、微型光束扫描装置（比如：微机电系统反射镜）、以及微型物镜，主要是将激发光脉冲聚焦于生物样本内，并在指定区域进行扫描；还用于收集荧光光束，并将其高效率耦合进全固石英双包层光纤12中由纤芯和内包层共同构成的多模波导中。
荧光接收装置16主要包含滤波片、透镜、光电倍增管、数据采集卡及荧光信号分析软件等，主要是对接收的荧光光束进行分析处理，实时生成成像结果。
需要说明的是，波分复用器11的第二尾纤112与全固石英双包层光纤12之间通过熔接的方式进行连接，形成熔接点，保证激发光脉冲和荧光光束在波分复用器11的全固石英双包层尾纤与带有啁啾长周期光纤光栅的全固石英双包层光纤12之间几乎无损耗地传输。在通过熔接点前后，激发光脉冲均在纤芯中以基模（LP01）传导，而荧光光束均在由纤芯和内包层共同构成的多模波导中传导。
综上所述，基于图4所示的多光子显微镜而言，从靠近激发光源17一侧的波分复用器11的第一尾纤111的端点至第一啁啾长周期光纤光栅13这一段激发光脉冲在纤芯中以基模（LP01）传导，其模场面积小（数量级为10μm2），会产生明显的非线性效应，从而预展宽光谱。从第一啁啾长周期光纤光栅13至探头15这一段第一啁啾长周期光纤光栅13将激发光脉冲的能量从基模（LP01）转化到LP0m高阶模式，并对激发光脉冲施加负啁啾，以补偿光纤及其它各光学器件由色散和非线性效应造成的脉冲展宽。运转于LP0m高阶模式的激发光脉冲在由纤芯和内包层共同构成的多模波导中传输，并利用LP0m高阶模式的色散效应使具有负啁啾的激发光脉冲的脉宽逐渐被压缩，从而使激发光脉冲在其输出端和生物样本处的脉宽基本一致。与此同时，随着脉宽的压缩，非线性效应逐渐得到明显积累，由于激发光脉冲在这一阶段具有负啁啾，在负啁啾与非线性效应的共同作用下，光谱得到压缩，从而使激发光脉冲在其输出端和生物样本处的光谱宽度基本一致。
总的来说，本发明实施例提供的一种多光子显微镜通过对激发光脉冲施加光谱预展宽，可以平衡光纤中非线性效应引入的光谱压缩与脉宽展宽，从而提高激发光传递装置所能支持的脉冲能量；通过使用具有更大模场面积的光纤，可以进一步抑制非线性效应，从而同时增加所能支持的光纤长度。这些设计都有助于提升系统性能。并且使用啁啾长周期光纤光栅和光纤中LP0m高阶模式对激发光脉冲施加负啁啾，从而取代当前主流技术方案中的色散装置；同时使用波分复用器11取代二向色镜，这些设计可以加大系统的光纤化比重，进而提升长时间稳定性。由于使用了波分复用器11，激发光脉冲的传输路径和荧光光束的传输路径上可以分别使用只在各自波段（即近红外波段和可见光波段）具有高透过率的透镜，造价相对低廉，有助于控制系统成本。并且使用全固石英双包层光纤12取代当前主流技术方案中的双包层光子晶体光纤，其制作工艺简单，造价相对低廉，同样有助于控制系统成本。
基于本发明上述实施例，在本发明另一实施例中还提供了一种多光子显微成像系统，该多光子显微成像系统包括上述实施例所述的多光子显微镜，例如该多光子显微成像系统包括图3所示的多光子显微镜，或该多光子显微成像系统包括图4所示的多光子显微镜。该多光子显微成像系统包括但不限定于穿戴式多光子显微成像系统，例如头戴式多光子显微成像系统。
该多光子显微成像系统与上述实施例提到的多光子显微镜具有相同的技术效果，在此不再赘述。
以上对本发明所提供的一种多光子显微镜及多光子显微成像系统进行了详细介绍，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。
需要说明的是，本说明书中的各个实施例均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的部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素，或者是还包括为这些过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种多光子显微镜，其特征在于，所述多光子显微镜包括：波分复用器、全固石英双包层光纤、第一啁啾长周期光纤光栅、探头和荧光接收装置；
所述波分复用器包括第一尾纤、第二尾纤和第三尾纤，所述第一尾纤为单模光纤，所述第二尾纤和所述第三尾纤与所述全固石英双包层光纤的光纤类型相同；
所述全固石英双包层光纤包括纤芯、包覆所述纤芯的内包层、以及包覆所述内包层的外包层；所述纤芯为单模波导，所述纤芯和所述内包层构成多模波导；
所述第一尾纤用于接收激发光脉冲，所述第二尾纤与所述全固石英双包层光纤连接，所述第三尾纤与所述荧光接收装置连接；
所述第一啁啾长周期光纤光栅固定在所述全固石英双包层光纤的一端，且相邻所述波分复用器；
其中，所述波分复用器用于将所述激发光脉冲传输至所述全固石英双包层光纤的纤芯中，所述激发光脉冲运转于基模；
所述第一啁啾长周期光纤光栅用于将所述激发光脉冲的能量从所述基模转化为高阶模式；运转于所述高阶模式的激发光脉冲在所述多模波导中传输，并通过所述探头入射至生物样本产生荧光光束；
所述探头用于采集所述荧光光束；所述荧光光束通过所述多模波导传输至所述波分复用器；
所述波分复用器还用于将所述荧光光束反射至所述荧光接收装置；
所述荧光接收装置用于对所述荧光光束进行分析处理。
2.根据权利要求1所述的多光子显微镜，其特征在于，所述多光子显微镜还包括：第二啁啾长周期光纤光栅；
所述第二啁啾长周期光纤光栅固定在所述全固石英双包层光纤的另一端，且相邻所述探头；
所述第二啁啾长周期光纤光栅用于将运转于所述高阶模式的激发光脉冲的能量从所述高阶模式转化为所述基模；运转于所述基模的激发光脉冲在所述单模波导中传输，并通过所述探头入射至所述生物样本产生荧光光束。
3.根据权利要求1或2所述的多光子显微镜，其特征在于，所述第二尾纤和所述全固石英双包层光纤的折射率分布相同；
所述第三尾纤和所述全固石英双包层光纤的折射率分布相同。
4.根据权利要求1或2所述的多光子显微镜，其特征在于，所述多光子显微镜还包括：激发光源；
所述激发光源用于输出所述激发光脉冲。
5.根据权利要求4所述的多光子显微镜，其特征在于，所述激发光源为飞秒激光器。
6.根据权利要求4所述的多光子显微镜，其特征在于，所述多光子显微镜还包括：
位于所述激发光源和所述第一尾纤之间的第一透镜；
所述第一透镜用于对所述激发光脉冲进行聚焦处理，并将聚焦处理后的激发光脉冲耦合进所述第一尾纤。
7.根据权利要求6所述的多光子显微镜，其特征在于，所述第一透镜的工作波段为750nm-1300nm。
8.根据权利要求1或2所述的多光子显微镜，其特征在于，所述多光子显微镜还包括：
位于所述第三尾纤和所述荧光接收装置之间的第二透镜；
所述第二透镜用于对所述荧光光束进行准直处理，并将准直处理后的荧光光束传输至所述荧光接收装置。
9.根据权利要求8所述的多光子显微镜，其特征在于，所述第二透镜的工作波段为400nm-700nm。
10.一种多光子显微成像系统，其特征在于，所述多光子显微成像系统包括权利要求1-9任一项所述的多光子显微镜。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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