JP2019519005A - 多モード照明のために渦ファイバーを利用する光学撮像システム - Google Patents
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Abstract
Description
本開示の光ファイバーは、修正化学気相成長(MCVD:modified chemical vapor deposition)技法又は他の適切な技法を用いて、SiO2又は他の適切な材料から製造することができる。リング領域及びコア領域は、適切な屈折率上昇ドーパント、又はGeO2等のドーパントの混合物等をドープすることによって形成することができる。トレンチ領域の負の屈折率は、フッ素を使用することによって達成することができる。クラッディングとして、通常の非ドープSiO2を選択することができる。本明細書において開示されるような光ファイバーは、125ミクロンの標準的な外径を有するように設計することができ、それにより、取り扱うのを、そして標準的な光ファイバーに接合するのを容易にすることができる。
基本LP01モードにおいて光ファイバーのコア内に抑制ビームを発射することができる。その際、LP01をより高次のLP11モードに変換するために、モード変換器が必要である。これは、1つのモード変換器によって与えることができる。モード変換は外部のマイクロベンド格子によって与えることができ、それも本開示のファイバー構造とともに使用することができる。しかしながら、耐久性が高く、よりコンパクトな解決策は、基本LP01入力モードとより高次のLP11モードとの間の第2の光のモード変換を与えるためにコア内に刻み込まれるUV長周期格子である。本開示の光ファイバーのコアの高屈折率が、Geドーピングによって与えられるとき、コアのUV感光性が高められるので、UV LPGが更に好ましいと考えられる。40mm未満の長さを有するUV LPGの場合に、95%より大きく、更には99.7%より大きい変換効率を与える極めて高い純度でモード変換を達成することができ、挿入損失は0.1dB未満とすることができる。本明細書において説明される例において、99.7%より大きい変換効率を達成するために、ファイバーの中に31mm長の傾斜したUV長周期格子が刻み込まれた。
誘導放出抑制(STED)を用いる超解像顕微鏡法は、励起の中心から離れて位置するフルオロフォアからの蛍光放射を抑圧する第2のドーナツ形光ビームを用いて、励起ビームの実効的な点広がり関数を変更することによって、回折限界未満のフィーチャーを生成する。蛍光の抑圧は、励起状態フルオロフォアが基底状態と励起状態との間のエネルギー差に一致する光子と遭遇するときに生じる誘導放出を通して達成される。光子と励起されたフルオロフォアとが相互作用すると、自然蛍光放射が生じることが可能になる前に、誘導放出を通して、分子が基底状態に戻される。このようにして、そのプロセスは、蛍光を放射することができる励起されたフルオロフォアの焦点付近の選択された領域を実効的に抑制する。
−可視波長範囲、すなわち、400nm〜700nm内のLP11モード群間の、好ましくは1×10−4より高い改善されたΔneff。
−ガウシアン状基本モード、すなわち、理想的なガウシアンビームとのモード場重複が90%より大きい。
−LP11モード群に適した(STED波長から200nm超離間する)、そして次に高次のモード(例えば、EH11及びHE31;STED波長から50nm未満だけ離間する)に適したカットオフ波長。
−効率的なモード変換のためのファイバー格子ピッチは、UV若しくはマイクロベンド誘発、又は音響光学的生成格子によって達成可能にすべきである。
−大きいΔneffを有するために、最初に、リングの屈折率Δn3を増加させる。高い(リング)屈折率の結果として、OAMモードがより強く閉じ込められる。予想どおり、リング屈折率を増加させると、より強く閉じ込められるので、必然的に基本モードがよりリング状になる。大きいΔneffを有することと、ガウシアン状HE11モードを得ることとの間にトレードオフがある。
−Δn1が増加した結果として、ガウシアン状基本モードが良好になるが、実効屈折率差Δneffも減少する。
−Δn3が上がり、Δn2が下がるほど、Δneffは増加するが、基本モードがリング形に変化する。上記で説明された最初の2つの目的を果たすためにパラメーターを探索するときに、フッ素ダウンドープ領域の屈折率(Δn2)を意図的に固定し、その屈折率を、より高次のモードのカットオフ波長を制御するための調整パラメーターとして(ときには、コア屈折率Δn1の微調整とともに)残す。なぜなら、その屈折率は、他のパラメーターに比べて、Δneffに及ぼす影響がはるかに小さいためである。
−Δn1〜Δn3が変更されるとき、より良好なガウシアン形基本モードを得るために、コア半径d1が調整される必要がある。
−Δn3が変更されるとき、より大きいΔneffを得るために、それに応じてd2を減少させなければならない。
上記で説明された具体的な要素及び特徴に加えて、以下は、利用される場合がある具体的な代替形態である。
1.ファイバー自体が所望のモード形状を有しない場合であっても、ガウシアン励起ビーム及びドーナツ形OAMビームを達成するためにモードを再整形するように、ファイバーの出力端においてテーパーを組み込むファイバー設計。
2.2光子励起。LP01モードは、より長い波長にあり、例えば、励起波長の2倍であり、それゆえ、リング形であるモードの場合ほど問題ではないので、1つの光子励起波長においてLP01モードの再整形を必要とすることなく、適切なガウシアン形励起パターンを達成するために、2光子励起を検討することができる。
3.励起のためだけに、並びに励起及び信号を収集/検出するためにファイバーを使用することができる。
4.ベクトルモードのためのモード分離が依然として上記のままであるが、LP01モードもリング形モードであるリングコア専用ファイバー設計。高NA合焦が、均一に偏光したLP01モードをサンプル/焦点面におけるベッセルビームに変換することになり、それは、励起ビームの必要とされる高い強度中心スポットを有する。
Claims (14)
- 光学撮像システムの照明サブシステムにおいて使用する渦光ファイバーであって、該渦光ファイバーは、コア領域と、該コア領域を包囲するトレンチ領域と、該トレンチ領域を包囲するリング領域と、クラッディング領域とを含む領域の組を有する光学的に透過性の伸長媒体を備え、該領域の組は、対応する可視波長において、安定したガウシアンモードと、軌道角運動量(OAM)搬送モードとを同時に導波するように、可視スペクトル範囲において1×10−4より大きいLP11モード群内のベクトルモードのためのΔneffを与えるドーピングプロファイルを有する、渦光ファイバー。
- 前記照明サブシステムによって照明されるサンプルからの後方伝搬光信号を効率的に収集するために二重クラッド又は三重クラッド構造のいずれかである、請求項1に記載の渦光ファイバー。
- 前記後方伝搬光信号は蛍光信号であり、前記二重クラッド又は前記三重クラッド構造は、前記蛍光信号の収集のために調整される、請求項2に記載の渦光ファイバー。
- 前記クラッディング領域は、前記クラッディング領域のドーパント及び材料からの蛍光による第1の信号と、前記サンプルの蛍光による第2の信号との間のスペクトル分離を保持する組成を有し、それにより、自己蛍光を制限する、請求項3に記載の渦光ファイバー。
- (i)後方伝搬蛍光を導光するために低nポリマーを備える三重クラッド、(ii)後方伝搬蛍光を導光するためにエアクラッドを備える三重クラッド、(iii)後方伝搬蛍光を導光するために低nガラスを備える三重クラッドのうちの1つである、請求項3に記載の渦光ファイバー。
- クラッディング屈折率は、0.4より大きいクラッディング導波路の開口数を確立するのに有効である、請求項2に記載の渦光ファイバー。
- 前記ドーピングプロファイルは、動作波長から200nmより大きい渦モードカットオフを与える、請求項1に記載の渦光ファイバー。
- ガウシアンビームと一体となる重複が80%より大きいような形状を有するLP01モードを与えるように構成される、請求項1に記載の渦光ファイバー。
- より高次のモードが、前記動作波長の50nm以内のそれぞれのカットオフを有する、請求項1に記載の渦光ファイバー。
- 前記より高次のモードはHE11及びHE21を含む、請求項7に記載の渦光ファイバー。
- 前記トレンチ領域は内側トレンチ領域であり、前記渦モードのための曲げ損失を低減するのに有効な外側トレンチ領域を更に含む、請求項1に記載の渦光ファイバー。
- 必要とされるモード励起を与えるために、100μm〜800μmの格子周期を有する刻み込まれた光学格子を含む、請求項1に記載の渦光ファイバー。
- 光学撮像システムにおいて使用し、請求項1の渦光ファイバーを利用する照明サブシステムであって、紫外線(UV)若しくはマイクロベンド誘発によるモード励起を与える1つ以上のモード励起構成要素、又は音響光学的生成ファイバー格子、qプレート、空間光変調器、メタ表面、及びスピンを光の軌道角運動量に変換することができる他の自由空間光学構成要素を含む、照明サブシステム。
- 請求項1に記載の渦光ファイバーを利用する共焦点誘導放出抑制(STED)顕微鏡法システムであって、励起光信号及び抑制光信号のそれぞれの光源と、前記渦光ファイバーへの入力の前に、前記励起光信号及び前記抑制光信号を合成するように構成され、動作する波長分割マルチプレクサー及び結合器とを備える、共焦点誘導放出抑制(STED)顕微鏡法システム。
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