CN202886734U - 一种用于流式细胞仪的多色光学系统 - Google Patents

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杨金涛
李大汕
沈渊
张哨峰
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Abstract

本实用新型涉及激光技术领域，公开了一种用于流式细胞仪的多色光学系统，包括依次设置的激光光源、光学耦合组件、准直系统、色散分光系统和光束整形系统；激光光源包括多个不同波长的激光器，各个激光器的激光分别由输出光纤输出；光学耦合组件包括多通道输入、单通道输出的合束波导，其输入端的各通道分别连接有光纤，各光纤末端分别通过光纤连接器与各激光器的输出光纤连接。该结构采用多通道输入单通道输出的合束波导将多个激光器的光合束输出之后再对光束进行整形，且各激光器均为光纤耦合输出，并通过光纤连接器与合束波导的输入端连接，使得该光学系统维护简便、容易调整，且结构简单、稳定，也节约了成本。

Description

一种用于流式细胞仪的多色光学系统
技术领域
本实用新型涉及激光技术领域，尤其涉及一种用于流式细胞仪的多色激光光学系统。
背景技术
流式细胞术是一种对液流中排成单列的细胞或其它生物微粒逐个进行快速定量分析和分选的技术。其原理是：待测细胞经荧光染料标记后，在一定压力下通过流动室，排成单列的细胞液流。入射的激光束照射细胞液流，激发荧光染料而产生荧光，由放在与入射的激光束和细胞液流成 90°处的光学系统收集，然后通过信号分析处理得到细胞的多种参数数据。
为了在单次实验中得到细胞的多种参数数据，通常会给待测细胞标记多种荧光染料，而不同荧光染料的激发波长各不相同，所以要用不同波长的激光聚焦在细胞流动室上，照射待测细胞。为保证测量的精度与准确性，除了需要特定激光波长之外，对于不同波长激光聚焦光斑的尺寸、形状、偏振和空间位置都有特定的要求。
高端的流式细胞仪都配备有多个激光光源，以激发多种荧光，满足客户的不同需求。比如BD公司的FACSAria流式细胞分选仪，除了配备常用的488nm蓝光和640nm红光光源外，还配备407nm光源。多色光源的流式细胞仪正在成为流行趋势，但是目前多色光源的流式细胞仪的光学系统存在结构复杂、不稳定、不方便维护的缺点。
在先技术美国专利局于2008年8月26日公告的专利《 system and process for sorting biological particles》(专利号：US 7417734 B2)，是一种典型的多色光源的流式细胞仪系统。如图1的虚线方框标识的光学系统所示：包括激光器11’,12’,13’、光纤21’,22’,23’、扩束系统31’,32’,33’、反射/透射镜41’,42’和聚焦镜5’。激光器11’,12’,13’包括488nm激光器、635nm激光器和375nm激光器，分别通过光纤21’,22’,23’输出,分别经扩束系统31’,32’,33’C准直后，3种激光光束经过反射/透射镜41’,42’重合在一起，再通过聚焦镜5’，聚焦在细胞流动室上。这种利用反射/透射镜41’,42’实现多色光源合束的系统有如下几个缺点：
1、    采用反射/透射镜的方式实现多色光合束，需要反射/透射镜的精密调整机构，调整机构的结构稳定性不好，而且体积大，成本高；
2、    激光器发生故障后，不仅要更换激光器，还要重新调整反射/透射镜（因为每只激光器的特性不同），维护成本高。
发明内容
针对上述问题，本实用新型提出一种用于流式细胞仪的多色光学系统，成本低、调整方便、结构稳定，且便于现场维护。
为达到上述目的，本实用新型的技术方案为：一种用于流式细胞仪的多色光学系统，包括依次设置的激光光源、光学耦合组件、准直系统、色散分光系统和光束整形系统；所述激光光源包括多个不同波长的激光器，各个激光器的激光分别由输出光纤输出；所述光学耦合组件包括多通道输入、单通道输出的合束波导，其输入端的各通道分别连接有光纤，各光纤末端分别通过光纤连接器与各激光器的输出光纤连接；各激光器的激光经合束波导合为一束多波长激光，经准直系统后由色散分光系统将不同波长的激光在光学系统的子午平面的传播方向上分开，分开的不同波长的光束经光学整形系统之后，分别在所述流式系统仪的细胞流动室上形成聚焦光斑。
进一步的，所述准直系统为消象差准直透镜组。
进一步的，所述色散分光系统包括至少一个楔形棱镜。
进一步的，所述光束整形系统包括两组正交的柱面镜组；所述柱面镜组为消象差柱面镜组。
进一步的，所述激光器为半导体激光器、固体激光器或气体激光器。
进一步的，所述合束波导为平面波导或合束光纤。
本实用新型的有益效果为：采用多通道输入单通道输出的合束波导将多个激光器的光合束输出之后再对光束进行整形，且各激光器均为光纤耦合输出，并通过光纤连接器与合束波导的输入端连接，使得该光学系统维护简便、容易调整，如果激光器发生故障，可以使用新的光纤耦合的激光器替换，直接连接激光器的光纤连接器与光学耦合组件的光纤连接器即可；而且多光束合束后共用一套准直、整形系统，需要调整的部件少，结构简单、稳定，也节约了成本。
附图说明
图1为现有技术的一种流式细胞仪示意图；
图2为本实用新型实施例一结构示意图；
图3为本实用新型实施例二结构示意图。
附图标记：11’,12’,13’…激光器；21’,22’,23’…光纤；31’,32’,33’…扩束系统；41’,42’…反射/透射镜；5’…聚焦镜；1…激光光源；101…激光器；102…输出光纤；103…光纤连接器；2…光学耦合组件；201…合束波导；202…光纤；203…光纤连接器；3…准直系统；301…消象差准直透镜组；4…色散分光系统；401,402…楔形棱镜；5…光束整形系统；501…第一柱面镜组；502…第二柱面镜组；6…聚焦光斑。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本实用新型做进一步说明。
本实用新型用于流式细胞仪的多色光学系统，包括依次设置的激光光源1、光学耦合组件2、准直系统3、色散分光系统4和光束整形系统5；其中，激光光源1包括多个不同波长的激光器101，各个激光器101的激光分别由输出光纤102输出；光学耦合组件2包括多通道输入、单通道输出的合束波导201，其输入端的各通道分别连接有光纤202，各光纤202末端分别通过光纤连接器203与各激光器101的输出光纤102连接；各激光器101的激光经合束波导201合为一束多波长激光，经准直系统3后由色散分光系统4将不同波长的激光在光学系统的子午平面的传播方向上分开，分开的不同波长的光束经光学整形系统5之后，分别在所述流式系统仪的细胞流动室上形成聚焦光斑6。其工作原理为：多个不同波长的激光器101通过带有光纤连接器103的输出光纤102输出，与光学耦合组件2的光纤连接器203相连，这样多个波长的激光从光学耦合组件2的多个通道输入、单个通道合束输出；利用准直系统3对合束输出的多色光准直，利用色散分光系统4把完全重合在一起的多色准直光在光学系统的子午平面内，分成沿传播方向有一定角度差的多色准直光束；具有一定角度差的多色准直光束通过由两正交的柱面镜组构成的光束整形系统5整形之后，在细胞流动室上形成间隔相等的长条状的不同颜色的聚焦光斑6，用于激发待测细胞上标记的不同荧光染料。
如图2所示为本实用新型的实施例一，激光光源1包括波长分别为488nm和635nm的两个激光器101，分别由输出光纤102耦合输出；光学耦合组件2包括两个通道输入、单通道输出的合束波导201，其输入端的各通道分别连接有光纤202，各光纤202末端分别通过光纤连接器203与各激光器101输出光纤102的光纤连接器103连接。该实施例中，合束波导201采用的是平面波导，其唯一输出通道的模场直径为5μm；准直系统3采用的是焦距为25mm的消象差准直透镜组301（消色差透镜）；色散分光系统4采用的是2mm厚的BK7玻璃制成的顶角6.327°的楔形棱镜401；光束整形系统5采用的是两组正交的柱面镜组，其中第一柱面镜组501为焦距300mm的消象差柱面镜组（消色差柱面镜组），第二柱面镜组502为焦距50mm的消象差柱面镜组。488nm和635nm的两束激光经平面波导合束之后由消象差准直透镜组301准直之后，被楔形棱镜401分为在子午平面内具有0.8mrad角度差的两束准直光束，再经第一柱面镜组501使两光束分别在光学系统的弧矢平面内聚焦，然后由第二柱面镜组502使其在光学系统的子午平面内聚焦，最终在流式细胞仪的细胞流动室上形成间隔约40μm的聚焦光斑6，聚焦光斑大小约为60μm×10μm。
如图2所示为实施例二，与实施例一不同的是激光光源1增加了一个波长为405nm的激光器101，相应的，平面波导为三个输入通道和一个输出通道，色散分光系统4采用的是两个楔形棱镜的组合，分别为1mm厚的K9玻璃制成的顶角10.537°的楔形棱镜401和1mm厚的F1玻璃制成的顶角2.2°的楔形棱镜402，二者通过光胶或深化光胶为一个整体。波长分别为405nm、488nm和635nm的三束激光经光学耦合组件2的平面波导合为一束光输出并由消象差准直透镜组301准直之后，被色散分光系统4分为在子午平面内分别具有0.8mrad角度差的三束准直光束，即405nm、488nm和635nm的激光束在子午平面内依次分离开，且405nm的激光束与488nm的激光束具有0.8mrad的夹角，635nm的激光束也与488nm的激光束具有0.8mrad的夹角，即各光束具有相等的角度差；之后再经第一柱面镜组501使三光束分别在光学系统的弧矢平面内聚焦，然后由第二柱面镜组502使其在光学系统的子午平面内聚焦，最终在流式细胞仪的细胞流动室上形成间隔约40μm的聚焦光斑6，聚焦光斑6大小约为60μm×10μm，即各光束最终形成等间距排列的不同波长的聚焦光斑6。
上述各实施例中，合束波导201也可以采用多通道输入单通道输出的合束光纤；色散分光系统4还可以采用多个具有特定顶角的不同光学材料的楔形棱镜光胶或深化光胶而成的棱镜组；准直系统3的消象差准直透镜组301可以采用多片球透镜组成；激光器1可以采用半导体激光器、固体激光器或气体激光器。
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本实用新型，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本实用新型的精神和范围内，在形式上和细节上对本实用新型做出的各种变化，均为本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种用于流式细胞仪的多色光学系统，包括依次设置的激光光源、光学耦合组件、准直系统、色散分光系统和光束整形系统；所述激光光源包括多个不同波长的激光器，各个激光器的激光分别由输出光纤输出；其特征在于：所述光学耦合组件包括多通道输入、单通道输出的合束波导，其输入端的各通道分别连接有光纤，各光纤末端分别通过光纤连接器与各激光器的输出光纤连接；各激光器的激光经合束波导合为一束多波长激光，经准直系统后由色散分光系统将不同波长的激光在光学系统的子午平面的传播方向上分开，分开的不同波长的光束经光学整形系统之后，分别在所述流式系统仪的细胞流动室上形成聚焦光斑。
2.如权利要求1所述用于流式细胞仪的多色光学系统，其特征在于：所述准直系统为消象差准直透镜组。
3.如权利要求1所述用于流式细胞仪的多色光学系统，其特征在于：所述色散分光系统包括至少一个楔形棱镜。
4.如权利要求1所述用于流式细胞仪的多色光学系统，其特征在于：所述光束整形系统包括两组正交的柱面镜组；所述柱面镜组为消象差柱面镜组。
5.如权利要求1-4任一项所述用于流式细胞仪的多色光学系统，其特征在于：所述激光器为半导体激光器、固体激光器或气体激光器。
6.如权利要求1-4任一项所述用于流式细胞仪的多色光学系统，其特征在于：所述合束波导为平面波导或合束光纤。
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