CN206178259U - 一种类高斯平顶光束激光系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型揭示了一种类高斯平顶光束激光系统，该系统包括激光二极管，激光二极管沿光轴Z方向放置；类高斯平顶光束激光系统还包括与激光二极管间隙设置并将所述激光二极管发出的光转换成在X方向是类高斯平顶光束和在Y方向是高斯光束的准直透镜，准直透镜具有正的光焦度，用于对激光二极管发出的激光光束进行准直，使激光光束准直输出。在实际应用比如流式细胞分析中，本实用新型提出的一种类高斯平顶光束激光系统实现了对激光垂直方向和水平方向光斑形状的分别控制，使最终聚焦在靶流中心的光斑椭圆度为1:3‑1:20；且还将水平方向的光束整形为类高斯平顶光束，垂直方向仍为高斯光束，提高了靶流中心处的光强分布均匀性。

Description

一种类高斯平顶光束激光系统

技术领域

本实用新型涉及用于流式细胞术仪器的激光光束整形模块，特别涉及一种类高斯平顶光束激光系统。

背景技术

基于流式细胞术的仪器，包括流式细胞仪、血液分析仪、粒子分析仪等都是通过对靶流中排列成单列的细胞或其他微粒逐个进行快速定量分析和分选的技术平台，其基本原理是利用聚焦的激光束照射单个细胞或微粒，并同时利用光电探测器件对产生的散射光或荧光信号分析从而得到待检测物的各种参数。其中激光光源及其光学系统是流式细胞仪的核心部件之一，聚焦光束的质量和稳定性直接决定了流式细胞仪器的性能指标。由于待分析细胞样品在靶流中高速流动(5000个/秒)，通过激光照射区域的时间仅为微秒量级，其产生的散射光或荧光信号强度与激光照射区域的光功率密度分布密切相关。

目前的主流技术通常是采用球面柱透镜、球面透镜及棱镜对组合对激光光束进行整形，使激光束最终聚焦在靶流室中心时形成椭圆形光束。其能量分布在水平方向上和垂直方向上通常都呈高斯分布，如附图1所示。一方面，在仪器装调过程中对激光照明模块的指向性要求极高，必须使高斯光束的顶点位置严格对准靶流的中心位置，增加了仪器装调难度和维护成本。另一方面，由于激光束在水平方向的功率密度不均匀，同类粒子在不同位置通过激光照射区时就会引起不同强度的散射光或荧光信号，从而导致较高的系统变异系数(CV)，甚至是错误判断结果。如附图2所示，采用“平顶”激光光束照明，可以使每个通过聚焦光斑的细胞或微粒接受同样强度的激光辐照，从而提高了流式细胞仪的分析准确性。产生平顶光束的激光整形技术包括利用衍射光学元件、非球面透镜、数字微镜等就是为实现激光束在靶流照射区的“平顶”分布这一目的。然而这些技术得到的“平顶”光束在整个靶流中(包括周围没有细胞流过的靶流区)都具有同样的激发光功率分布，这既导致了激光功率的无端浪费，也增加了系统的背景光噪声。此外，这些技术所需要的关键元器件如衍射光学元件、非球面透镜、数字微镜等加工工序繁琐，周期较长，价格昂贵。

发明内容

本实用新型的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，提出了一种类高斯平顶光束激光系统，该系统使聚焦在靶流中心处的激光光束在水平方向呈类高斯平顶分布，该系统可消除由于细胞在不同位置进入照射区时引起的误差，降低聚焦光斑在周围没有细胞流过的靶流区的功率密度分布。

本实用新型的目的通过以下技术方案来实现：一种类高斯平顶光束激光系统，包括沿光轴z方向放置的激光二极管；还包括与所述激光二极管间隙设置并将所述激光二极管发出的光转化成在X方向是类高斯平顶光束的非球面透镜，所述非球面透镜的前方设置有激光二极管，后方设置有一优化组件，所述激光二极管、非球面透镜、优化组件在同一光路上依次设置；所述优化组件包括依次设置的棱镜对、柱面透镜组或聚焦透镜；所述棱镜对用于将准直后的激光光束在Y方向上进行压缩或扩束后使所述激光光束沿光轴方向准直传播，所述柱面透镜组包括第一柱面镜和第二柱面镜，且两者正交放置，所述柱面透镜组用于对X方向和Y方向的光束进行聚焦；所述第一柱面镜具有正的光焦度，用于对X方向光束进行聚焦，所述第二柱面镜具有正的光焦度，用于对Y方向光束进行聚焦；所述聚焦透镜具有正的光焦度，用于将经所述柱面透镜组整形后的激光光束聚焦在靶流中心。

优选地，所述类高斯平顶光束激光系统的后工作距离为150-500mm。

优选地，所述激光器二极管为半导体二极管激光器。

优选地，所述非球面透镜具有正的光焦度，用于对所述激光二极管发出的激光光束进行准直，使所述激光光束准直输出。

优选地，所述非球面透镜具有特定的像差特征，要求满足以下关系：3.71≤W₀₄₀·θ⁴·f⁴≤11.12；其中W₀₄₀为准直透镜产生的波像差系数，θ为激光二极管的在X方向上1/e²处的发散角，单位为弧度，f为准直透镜的焦距，单位为mm。

本实用新型技术方案的优点主要体现在：本实用新型提出了一种类高斯平顶光束激光系统，该系统可实现对垂直方向和水平方向光斑尺寸的控制，将水平方向的光束整形为类高斯平顶光束，垂直方向仍为高斯光束，提高了靶流中心处的光强分布均匀性；而且能实现对最终聚焦在靶流中心的光斑椭圆度在1:3-1:20进行控制和变换。该系统降低了对靶流系统的稳定性要求，大大简化了流式细胞仪系统安装、调试、校准过程。

附图说明

图1是现有技术的同种粒子在通过高斯型激光聚焦光束在水平方向上不同位置的光强度分布示意图；

图2是现有技术的同种粒子在通过平顶型激光聚焦光束在水平方向上不同位置的光强度分布示意图；

图3是本实用新型的类高斯平顶光束激光系统的整体结构示意图；

图4是本实用新型的类高斯平顶光束在水平方向和竖直方向的光强分布实测图；

图5是本实用新型的类高斯平顶光束经优化组件后聚焦在靶流中心位置处水平方向和竖直方向的光强分布实测图；

图6是本实用新型的类高斯平顶光束在流式细胞仪中的应用效果图。

具体实施方式

本实用新型的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释。这些实施例仅是应用本实用新型技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本实用新型要求保护的范围之内。

如图3所示，该类高斯平顶光束激光系统包括一激光二极管1和一准直透镜2，所述激光二极管1沿光轴Z方向放置。本实用新型中的激光二极管1采用半导体激光二极管，所述半导体激光二极管1原始的出射光束的小发散角方向与细胞流动方向一致。该激光二极管发出的光束在两个方向上的发散角不一致，假设光的传播方向为Z轴，那么光束在X方向的发散角θx和Y方向上的发散角θy是不同的，假设θx＜θy，那么光束截面就会是长轴为Y方向的椭圆光斑。

在本实施例中，所述准直透镜2优选为非球面透镜，所述非球面透镜2具有正的光焦度，用于将所述半导体激光二极管1发出的激光光束进行准直，使所述激光光束准直输出；所述准直透镜2具有正的光焦度，且有效焦距为2mm-10mm，在本实施例中，所述准直透镜2的有效焦距优选为2.54mm。所述准直透镜2具有如下特征：

3.71≤W₀₄₀·θ⁴·f⁴≤11.12

其中W₀₄₀为所述准直透镜2产生的波像差系数，θ为激光二极管的在X方向上1/e²处的发散角，单位为弧度，f为所述准直透镜2的焦距，单位为mm。波像差的表示式为：

其中，y为视场因子，r、为光瞳坐标。

在本实施例中，我们采用以无像差的理想非球面透镜为参照，通过引入球差的方法得到类高斯平顶光束，能出现类高斯平顶光束的必要条件为：

1、该类高斯平顶光束激光系统的后工作距离为150-500mm；类高斯平顶光束不稳定，只能在光轴上一定范围内产生，所述后工作距离是指探测平面离出光面的距离。

2、本实用新型所用准直透镜具有如下特征：3.71≤W₀₄₀·θ⁴·f⁴≤11.12,其中W₀₄₀为所述准直透镜产生的波像差系数，t为激光二极管的发散角，单位为弧度，f为所述准直透镜的焦距，单位为mm。

3、3.71≤W₀₄₀·θ⁴·f⁴≤11.12值越大，得到平顶范围越宽。

4、后续应用光路，需要离焦应用，并且在光轴上一定范围内才有平顶效果，共焦时平顶现象消失。

图4是激光二极管W₀₄₀＝13通过的准直透镜后在后工作距离300mm处的光斑实测图像，其水平方向为类高斯平顶光束；图5是类高斯平顶光束经优化组件后聚焦在靶流中心位置处水平方向和竖直方向的光强分布实测图。该类高斯平顶光束激光系统还包括一将类高斯平顶光束进行优化的优化组件3。

如附图3所示，所述优化组件3包括依次设置的棱镜对31、柱面透镜组32和聚焦透镜33。所述棱镜对31用于将准直后的激光光束在Y方向上进行压缩或扩束并使所述激光光束沿光轴方向准直输出。所述柱面透镜组32包括第一柱面镜321和第二柱面镜322，且两者正交放置，所述柱面透镜组32用于对X方向和Y方向的光束进行聚焦，所述第一柱面镜321具有正的光焦度，用于对X方向光束进行聚焦，所述第二柱面镜322具有正的光焦度，用于对Y方向光束进行聚焦。所述聚焦透镜33具有正的光焦度，在本实施例中，所述聚焦透镜33为一双胶合透镜，用于将经所述柱面透镜组32整形后的激光光束聚焦在靶流中心。所述棱镜对31将Y方向的激光光束整形为1-2mm。在本实用新型中，所述激光二极管1、所述准直透镜2、棱镜对31、柱面透镜组32和聚焦透镜33在同一光路上依次设置。

具体过程为：所述激光光束经过所述棱镜对31后，所述棱镜对31用于将经准直透镜准直后的激光光束在Y方向上进行压缩或扩束使所述激光光束沿光轴Z方向准直输出；经准直输出后的激光光束依次经过第一柱面镜和第二柱面镜，所述第一柱面镜具有正的光焦度，对X方向的激光光束进行聚焦，所述第二柱面镜具有正的光焦度，对Y方向的激光光束进行聚焦；经过聚焦后的激光光束再经过聚焦透镜，使得最后出射的激光光束聚焦在靶流液的中心位置。

所述激光二极管1发出激光经过所述准直透镜2得到在X方向是类高斯平顶光束及在Y方向是高斯光束，所述激光光束经过所述优化组件3后，进一步对所得的类高斯平顶光束进行压缩变换，典型的聚焦后的光斑实测图如附图5所示，在X方向上得到了100um左右的类高斯平顶光强分布，平顶宽度为30um，在Y方向上得到了10um左右的高斯光强分布。

该类高斯平顶光束激光系统一方面实现了对垂直方向和水平方向光斑尺寸的控制，使垂直方向的光斑聚焦在靶流室的中心，聚焦在靶流室中心的光束为椭圆型光斑，椭圆度为1:3-1:20，光强为高斯分布；另一方面，通过控制所述棱镜对、所述柱面透镜组和所述聚焦透镜将水平方向的激光光束整形为类高斯平顶光束，提高了靶流中心处的水平方向光强分布的均匀性。

流式细胞仪是一种对细胞进行自动分析和分选的装置。它可以快速测量、存储以及显示悬浮在液体中的分散细胞的一系列重要的生物物理、生物化学方面的特征参量，并可以根据预选的参量范围把指定的细胞亚群从中分选出来。

该流式细胞仪的工作流程主要包括：将待检测细胞染色后制成单细胞悬液的待检测样品，然后在一定压力的作用下，将待检测样品压入流动室；不含细胞的磷酸缓冲靶液在高压下从靶液管喷出，靶液管入口方向与待检测样品的流向成一定角度，这样，靶液就能够包绕着待检测样品告诉流动，组成一个圆形的流束，待检测细胞在靶液的包被下呈单行排列，依次通过检测区域。

该流式细胞仪可同时进行多个参数的测量，测量数据主要来自特异性荧光信号以及非荧光散射信号。测量是在测量区进行的。所谓测量区是指入射激光束和从流动式的喷嘴喷出的液流束的垂直相交点。液流束中央的单个细胞通过测量区时，受到入射激光光束的照射，即受到该类高斯平顶光束的照射，会向立体角为2π的整个空间散射光线，散射光的波长和入射激光光束的波长相同；散射光的强度及其空间分布与细胞的大小、形态、质膜以及细胞内部结构密切相关，因为这些生物学参数和细胞对光线的反射、折射灯光学特性有关。未遭受任何损坏的细胞对光线都具有特征性的散射，因此，可以利用不同的散射光信号直接对不经染色的活细胞进行分析和分选。经过固定的和染色处理的细胞由于光学特性的改变，其散射光信号与不经染色的活细胞有所不同。散射光不仅与作为散射中心的细胞的参数有关，还与散射角以及收集散射光线的立体角等非生物因素有关。

在流式细胞仪的测量中，通常使用以下两种散射方向的散射光测量：前向散射(FSC，Forword Scatter)，又称0角散射，以及侧向散射(SCC，Side Scatter)，又称90角散射；这里所指的角度是入射激光光束照射方向与收集散射光信号的光电探测器件轴向方向之间所成的角度。一般来说，前向散射光的强度与细胞的形态大小有关，对于同种细胞群体，随着细胞截面积的增大而增大；例如：对于球形活细胞，经实验表明在小立体角范围内基本上和截面积大小成线性关系，对于形状复杂具有取向性的细胞，则可能差异性很大。侧向散射光的测量主要用来获取有关细胞内部精细结构的颗粒性质的有关信息；侧向散射光虽然也与细胞的形状以及大小有关，但它对细胞膜、胞质、核膜的折射率更为敏感，同时也能够对细胞质内部较大颗粒做出灵敏的反应。

当细胞携带荧光素标记物，通过激光照射区时，细胞内的荧光物质吸收符合其波长范围的光能量后，内部的电子受激发上升到高能级，然后迅速衰落回到基态，释放过剩能量成为光子，产生代表细胞内不同物质、不同波长的荧光信号，这些信号以细胞为中心，向空间360度立体角发射，产生散射光和荧光信号，由于侧向散射光以及荧光的强度很微弱，为了满足本实用新型光束整形系统的要求，必须对侧向散射光和荧光进行聚焦，使其与准直系统匹配，提高荧光和侧向散射光的信号强度。侧向散射光的成像能够很好的反应细胞内部的复杂结构，这样我们就具有了细胞结构的图像，受激发而产生的荧光的细胞成像能够用于对亚细胞水平信号分布的相关分析。通过对这类荧光信号的检测和定量分析就能了解所研究细胞参数的存在与定量。

附图6为本实用新型实施例的类高斯平顶光束激光系统应用在流式细胞仪中的测试结果图。在本实用新型中，我们选择了波长为488nm的半导体激光二极管，能同时检测FL1(FITC)、FL2(PE)、FL3(Percp)这三个荧光通道。前向散射通道和三种主要荧光通道(FITC，PE，Percp)的CV值分别为1.2％，1.4％，2.1％，1.7％，因此在生物样品分析中能够提高分析的灵敏度。采用本实用新型的类高斯平顶激光光束照明比采用现有的高斯激光光束照明得到了明显的改进，现有技术中的CV值通常在3％左右。实际流式细胞仪器应用中，荧光分析通道的数目可以通过引入其它波长的激光器如405nm，532nm，638nm等进行拓展，并采用本实用新型的类高斯平顶技术对激光光束进行整形。更进一步地，由于该类高斯平顶光束具有相对宽的平顶宽度(10-30um)，使得该类高斯平顶光束激光系统在系统装调过程中的光路校准工作大为简化，该系统结构简单、价格低廉，节约了时间和维护成本。

利用该类高斯平顶光束系统，可使聚焦在靶流中心处的激光光束在水平方向呈类高斯平顶光束，该系统一方面可用于消除由于细胞在不同位置进入照射区时引起的误差，提高系统的稳定性和CV值；另一方面降低聚焦光斑在周围没有细胞流过的靶流区的功率密度分布，降低背景噪声，提高流式细胞分析系统的信噪比和灵敏度。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种类高斯平顶光束激光系统，其特征在于：包括沿光轴z方向放置的激光二极管(1)；还包括与所述激光二极管(1)间隙设置并将所述激光二极管(1)发出的光转化成在X方向是类高斯平顶光束的非球面透镜(2)，所述非球面透镜(2)的前方设置有激光二极管(1)，后方设置有一优化组件(3)，所述激光二极管(1)、非球面透镜(2)、优化组件(3)在同一光路上依次设置；所述优化组件(3)包括依次设置的棱镜对(31)、柱面透镜组(32)或聚焦透镜(33)；所述棱镜对(31)用于将准直后的激光光束在Y方向上进行压缩或扩束后使所述激光光束沿光轴方向准直传播，所述柱面透镜组(32)包括第一柱面镜(321)和第二柱面镜(322)，且两者正交放置，所述柱面透镜组用于对X方向和Y方向的光束进行聚焦；所述第一柱面镜(321)具有正的光焦度，用于对X方向光束进行聚焦，所述第二柱面镜(322)具有正的光焦度，用于对Y方向光束进行聚焦；所述聚焦透镜(33)具有正的光焦度，用于将经所述柱面透镜组整形后的激光光束聚焦在靶流中心。

2.根据权利要求1所述的一种类高斯平顶光束激光系统，其特征在于：所述类高斯平顶光束激光系统的后工作距离为150-500mm。

3.根据权利要求1所述的一种类高斯平顶光束激光系统，其特征在于：所述激光二极管(1)为半导体二极管激光器。

4.根据权利要求1所述的一种类高斯平顶光束激光系统，其特征在于：所述非球面透镜(2)具有正的光焦度，用于对所述激光二极管发出的激光光束进行准直，使所述激光光束准直输出。

5.根据权利要求1所述的一种类高斯平顶光束激光系统，其特征在于：所述非球面透镜(2)具有特定的像差特征，要求满足以下关系：3.71≤W₀₄₀·θ⁴·f⁴≤11.12；其中W₀₄₀为准直透镜产生的波像差系数，θ为激光二极管的在X方向上1/e²处的发散角，单位为弧度，f为准直透镜的焦距，单位为mm。