JP5729982B2 - Nonlinear optical system and technology - Google Patents

Nonlinear optical system and technology Download PDF

Info

Publication number
JP5729982B2
JP5729982B2 JP2010262163A JP2010262163A JP5729982B2 JP 5729982 B2 JP5729982 B2 JP 5729982B2 JP 2010262163 A JP2010262163 A JP 2010262163A JP 2010262163 A JP2010262163 A JP 2010262163A JP 5729982 B2 JP5729982 B2 JP 5729982B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
sample
mode
free space
structured
width
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2010262163A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2011118385A (en
JP2011118385A5 (en
Inventor
ダブリュ. ニコルソン ジェフレイ
ダブリュ. ニコルソン ジェフレイ
シッドハース ラマチャンドラン
ラマチャンドラン シッドハース
Original Assignee
オーエフエス ファイテル,エルエルシー
オーエフエス ファイテル,エルエルシー
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from US12/954,292 external-priority patent/US8507877B2/en
Application filed by オーエフエス ファイテル,エルエルシー, オーエフエス ファイテル,エルエルシー filed Critical オーエフエス ファイテル,エルエルシー
Publication of JP2011118385A publication Critical patent/JP2011118385A/en
Publication of JP2011118385A5 publication Critical patent/JP2011118385A5/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP5729982B2 publication Critical patent/JP5729982B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Landscapes

  • Microscoopes, Condenser (AREA)

Description

関連出願の相互参照
本出願は、2009年11月25日に出願した米国仮出願第61/264,538号、及び2009年11月30日に出願した米国仮出願第61/265,271号の優先権を主張するものである。これらの出願は、参照によりそれらの全体が本明細書に組み込まれている。
CROSS REFERENCE TO RELATED APPLICATIONS This application is based on US Provisional Application No. 61 / 264,538 filed on Nov. 25, 2009 and US Provisional Application No. 61 / 265,271 filed on Nov. 30, 2009. It claims priority. These applications are incorporated herein by reference in their entirety.

本発明は、一般に、非線形光システムに関し、詳細には、高次モード(higher−order mode)光ファイバを使用する、改良された非線形光システム及び技術に関する。   The present invention relates generally to non-linear optical systems, and in particular to improved non-linear optical systems and techniques that use higher-order mode optical fibers.

非線形顕微鏡システムなど、非線形光システムでは、パルス・レーザ・ビームが、試料の上に密に合焦され、光出力を試料から生成させる。非線形信号が、光出力から導き出され、この非線形信号が、試料の顕微鏡画像を生成するために使用されうる。複数の異なる高次の光と物質の相互作用(light−matter interaction)が、2光子蛍光(two−photon fluorescence)、第二高調波発生(second−harmonic generation)、第三高調波発生、ラマン散乱、などを含む、非線形光システムで使用されうる。多光子放出(multiphoton emission)プロセスでは、入射光強度と放出された放射との間の関係は、非線形である。例えば、2光子励起に対して、その関係は二次である。この非線形関係の結果として、従来のガウス・ビームの中央の空間部分だけが、放出された放射の強度に実質的に寄与する。それ故、レーザ・ビームが密に合焦される部分には、レーザ・ビームが、より拡散する部分よりはるかに多くの多光子放射が生成される。事実上、励起は焦点体積(focal volume)に限定され、焦点はずれの対象を高度に排除する結果をもたらす。同様の作用が、第二高調波発生、第三高調波発生、ラマン散乱、光誘起化学反応、材料破損(material breakdown)、などを含む、他のタイプの光と物質の相互作用において発生する。   In non-linear optical systems, such as non-linear microscope systems, a pulsed laser beam is closely focused on a sample and light output is generated from the sample. A non-linear signal is derived from the light output and this non-linear signal can be used to generate a microscopic image of the sample. A plurality of different higher-order light-matter interactions include two-photon fluorescence, second-harmonic generation, third-harmonic generation, and Raman scattering. Can be used in nonlinear optical systems. In the multiphoton emission process, the relationship between incident light intensity and emitted radiation is non-linear. For example, for two-photon excitation, the relationship is secondary. As a result of this nonlinear relationship, only the central spatial portion of a conventional Gaussian beam contributes substantially to the intensity of the emitted radiation. Therefore, much more multi-photon radiation is generated in the portion where the laser beam is closely focused than in the portion where the laser beam is more diffuse. In effect, excitation is limited to the focal volume, resulting in a high degree of exclusion of defocused objects. Similar effects occur in other types of light-matter interactions, including second harmonic generation, third harmonic generation, Raman scattering, photoinduced chemical reactions, material breakdown, and the like.

図1Aは、従来技術による例示的非線形顕微鏡システム20の動作の基本原理を示す図である。フェムト秒レーザ22は、パルス・レーザ・ビーム28を自由空間出力として供給する端面26を有する、シングル・モード・ファイバ(SMF)24で誘導されるパルス・レーザ出力の形で、入射光を供給する。レーザ・ビーム28は、走査ミラー組立体30によって、顕微鏡画像が生成されるべき試料34の上にビームを合焦させる対物レンズ32に導かれる。レーザ・ビーム28は、蛍光色素分子(fluorophore)の多光子励起を試料の励起体積(excitation volume)の中に発生させるのに十分な強度を有する。多光子励起、例えば2光子蛍光、の量を表す強度レベルを有する蛍光36が、放出される。   FIG. 1A is a diagram illustrating the basic principle of operation of an exemplary nonlinear microscope system 20 according to the prior art. The femtosecond laser 22 provides incident light in the form of a pulsed laser output guided by a single mode fiber (SMF) 24 having an end face 26 that provides a pulsed laser beam 28 as a free space output. . The laser beam 28 is directed by a scanning mirror assembly 30 to an objective lens 32 that focuses the beam onto a sample 34 on which a microscopic image is to be generated. The laser beam 28 has sufficient intensity to generate multiphoton excitation of the fluorophore in the sample excitation volume. Fluorescence 36 having an intensity level representing the amount of multiphoton excitation, eg, two-photon fluorescence, is emitted.

励起に必要な光子の数は、蛍光を作り出すために使用される、特定のタイプの光と物質の相互作用によって決まる。本議論では、顕微鏡システム20は、2光子励起を使用することが仮定されている。しかし、本議論は、第二高調波発生、第三高調波発生、ラマン散乱、などを含む、他のタイプの光と物質の相互作用を使用する非線形顕微鏡に適用されることが理解されよう。   The number of photons required for excitation depends on the specific type of light-matter interaction used to create the fluorescence. In this discussion, it is assumed that the microscope system 20 uses two-photon excitation. However, it will be appreciated that this discussion applies to nonlinear microscopes that use other types of light-matter interactions, including second harmonic generation, third harmonic generation, Raman scattering, and the like.

放出された蛍光は、フォトダイオード、光電子増倍管、または類似の素子など、適切な検出器38によって検出される。合焦されたレーザ・ビーム28を試料の一領域にわたって走査することで、ポイント毎の強度データを収集することが可能になる。あるいは、ビームの位置が固定されたままで、試料が、ビームに対して適所に走査されてよい。次いで、画像生成器40が、強度データを使用して、走査された試料の領域の顕微鏡画像を生成する。   The emitted fluorescence is detected by a suitable detector 38, such as a photodiode, photomultiplier tube, or similar element. By scanning the focused laser beam 28 over an area of the sample, intensity data for each point can be collected. Alternatively, the sample may be scanned in place with respect to the beam while the position of the beam remains fixed. Image generator 40 then uses the intensity data to generate a microscopic image of the scanned area of the sample.

図1Bは、従来技術による走査型共焦点非線形顕微鏡システム50の図を示す。図1Aに示す顕微鏡システムと同様に、システム50は、フェムト秒レーザ52及びパルス・レーザ出力58を供給する端面56を有するシングル・モード・ファイバ54を含む。走査ミラー組立体60は、レーザ出力58を対物レンズ62に導き、対物レンズ62は、レーザ出力58を試料64の上に密に合焦し、それにより、励起体積における蛍光色素分子の多光子励起及び蛍光66の放出を結果としてもたらす。   FIG. 1B shows a diagram of a scanning confocal nonlinear microscope system 50 according to the prior art. Similar to the microscope system shown in FIG. 1A, the system 50 includes a single mode fiber 54 having an end face 56 that provides a femtosecond laser 52 and a pulsed laser output 58. The scanning mirror assembly 60 directs the laser output 58 to the objective lens 62, which focuses the laser output 58 closely onto the sample 64, thereby multiphoton excitation of the fluorophore molecules in the excitation volume. And the emission of fluorescence 66 results.

図1Bの顕微鏡は、出力ピンホール組立体68を含み、出力ピンホール組立体68は、検出器レンズ(detector lens)70を使用して放出された蛍光を合焦し、その蛍光を入力として第2のシングル・モード・ファイバ(SMF)72の中に供給することによってもたらされ、第2のシングル・モード・ファイバ72は、次いで、合焦された蛍光を検出器74に誘導し、検出器74は、蛍光強度データを画像生成器76に供給する。ピンホール組立体68を使用することで、深さ分解能(即ち、距離分解能)が顕微鏡システム50に付加される。というのは、入射光ビームの焦点の中で生成された信号だけが、検出器72による測定のために、第2のSMF70の中に効率的に結合されうるからである。この設定で、試料の3次元非線形画像が、試料を、横方向のほかに軸方向にも走査することによって得られる。   The microscope of FIG. 1B includes an output pinhole assembly 68 that focuses emitted fluorescence using a detector lens 70 and receives the fluorescence as input. 2 single mode fiber (SMF) 72, which then directs the focused fluorescence to detector 74, where the detector 74 supplies the fluorescence intensity data to the image generator 76. By using the pinhole assembly 68, depth resolution (ie, distance resolution) is added to the microscope system 50. This is because only the signal generated in the focus of the incident light beam can be efficiently coupled into the second SMF 70 for measurement by the detector 72. With this setting, a three-dimensional nonlinear image of the sample is obtained by scanning the sample in the axial direction as well as in the lateral direction.

図1A及び図1Bに示す顕微鏡システムでは、試料への入射光を供給するために使用されるパルス・レーザ・ビームが、近ガウス(near−Gaussian)形状を有する基本的LP01横モードを使用して、レーザから対物レンズに誘導される。システム20、50の両システムでは、レーザ・ビームを対物レンズに誘導するシングル・モード・ファイバ24、54は、非ガウス(non−Gaussian)形状を明確に有する高次モードにおける伝播をサポートしない。 In the microscope system shown in FIGS. 1A and 1B, the pulsed laser beam used to provide the incident light on the sample uses a basic LP 01 transverse mode having a near-Gaussian shape. Then, it is guided from the laser to the objective lens. In both systems 20, 50, the single mode fibers 24, 54 that direct the laser beam to the objective do not support propagation in higher order modes that clearly have a non-Gaussian shape.

その近ガウス形状のため、LP01モードのレーザ・ビームは、高次モードのレーザ・ビームよりも狭いビーム幅に合焦されうる。このため、最近の非線形顕微鏡システムは、LP01モードのレーザ・ビームを使用して、入射励起光を供給してきた。非線形光システムにおける励起の局在性(localization)は、典型的には、線形光システムで達成されるよりはるかに高い空間分解能を、結果としてもたらす。しかし、顕微鏡システムの性能を、より一層改良することが望ましいであろう。特に、信号分解能を多次元において高める方法を見出すことが望ましいであろう。 Due to its near Gaussian shape, the LP 01 mode laser beam can be focused to a narrower beam width than the higher order mode laser beam. For this reason, recent nonlinear microscope systems have used LP 01 mode laser beams to provide incident excitation light. Excitation localization in nonlinear optical systems typically results in much higher spatial resolution than is achieved with linear optical systems. However, it would be desirable to further improve the performance of the microscope system. In particular, it would be desirable to find a way to increase signal resolution in multiple dimensions.

本発明の態様は、改良された非線形光システム及び技術に関する。本発明の一実施形態は、レーザなどの光源と、シングル・モード・ファイバ、モード変換器、及び高次モード・ファイバを備える光伝送システムとを備え、光源から光を受けて、構造化された自由空間ビームを供給する光伝送システムが、埋め込みガウス・ビーム(embedded Gaussian beam)を有し、埋め込みガウス・ビームが幅を有する、非線形光システムを開示する。光伝送システムは、試料の一領域に光を当て、埋め込みガウス・ビームの幅に相当する幅を有するガウス・ビームで得られるであろう空間領域より小さい空間領域の中に、非線形応答を生成するように機能する。そのような非線形応答は、例えば、第二高調波発生または多光子材料変形(material modification)を含むことができる。構造化されたビームの性質のため、非線形効果が存在する空間の広がりは、ガウス形状のビームで達成されるであろう空間の広がりより小さい。   Aspects of the invention relate to improved nonlinear optical systems and techniques. One embodiment of the present invention comprises a light source, such as a laser, and an optical transmission system comprising a single mode fiber, a mode converter, and a higher order mode fiber, receiving light from the light source and structured. Disclosed is a nonlinear optical system in which an optical transmission system that provides a free space beam has an embedded Gaussian beam, and the embedded Gaussian beam has a width. The optical transmission system illuminates a region of the sample and generates a non-linear response in a smaller spatial region than would be obtained with a Gaussian beam having a width corresponding to the width of the embedded Gaussian beam. To function. Such a non-linear response can include, for example, second harmonic generation or multi-photon material deformation. Due to the nature of the structured beam, the spatial extent in which nonlinear effects exist is smaller than the spatial extent that would be achieved with a Gaussian shaped beam.

本発明の他の実施形態によれば、レーザなどの光源と、光源から光を受けて、構造化された自由空間ビームを供給する光伝送システムとを備え、光伝送システムは、試料の一領域に光を当てて放射の非線形放出を生成する、非線形光システムが叙述される。この実施形態の他の態様は、非線形放出を検出し、検出された放出から導き出された信号を使用して、試料の顕微鏡画像を生成するための画像化組立体(imaging assembly)を含む。   According to another embodiment of the present invention, a light source such as a laser, and an optical transmission system that receives light from the light source and supplies a structured free space beam, the optical transmission system is a region of the sample. A non-linear optical system is described that illuminates light to produce a non-linear emission of radiation. Another aspect of this embodiment includes an imaging assembly for detecting nonlinear emissions and generating a microscopic image of the sample using signals derived from the detected emissions.

本発明の他の態様によれば、長周期グレーティングが、モード変換器として使用される。本発明の他の態様によれば、高次モードのレーザ光が光導波路内に作り出され、一方、他の態様では、高次モードのレーザ光が、バルク光要素を使用して、導波路の外に作り出される。   According to another aspect of the invention, a long period grating is used as a mode converter. According to another aspect of the present invention, higher order mode laser light is produced in the optical waveguide, while in other aspects, higher order mode laser light is used in the waveguide using bulk optical elements. Produced outside.

従来技術による例示的非線形顕微鏡システムの図である。1 is a diagram of an exemplary nonlinear microscope system according to the prior art. FIG. 従来技術による例示的非線形顕微鏡システムの図である。1 is a diagram of an exemplary nonlinear microscope system according to the prior art. FIG. 図2A及び図2Bは、LP01モード及びLP02モードそれぞれの強度特性(profile)を比較したグラフである。2A and 2B are graphs comparing intensity profiles of the LP 01 mode and the LP 02 mode, respectively. 本発明の態様による例示的非線形顕微鏡システムの図である。1 is a diagram of an exemplary nonlinear microscope system according to aspects of the present invention. FIG. 本発明の態様による例示的非線形顕微鏡システムの図である。1 is a diagram of an exemplary nonlinear microscope system according to aspects of the present invention. FIG. 図4(従来技術)及び図5は、LP01モード及びLP02モードを使用する非線形顕微鏡システムによって達成可能な分解能を比較するための試験用設定を示す、一対の図である。4 (Prior Art) and FIG. 5 are a pair of diagrams showing test settings for comparing the resolution achievable with a non-linear microscope system using LP 01 and LP 02 modes. 図4(従来技術)及び図5は、LP01モード及びLP02モードを使用する非線形顕微鏡システムによって達成可能な分解能を比較するための試験用設定を示す、一対の図である。4 (Prior Art) and FIG. 5 are a pair of diagrams showing test settings for comparing the resolution achievable with a non-linear microscope system using LP 01 and LP 02 modes. 図6A乃至図6Cは、LP01モード及びLP02モードに対する、計算された強度特性に基づいて推測された理論的信号を示す、一連のグラフである。FIGS. 6A-6C are a series of graphs showing theoretical signals inferred based on the calculated intensity characteristics for the LP 01 and LP 02 modes. 図7A及び図7Bは、線形検出器及び二次の非線形検出器に対して実験的に測定された曲線を示すグラフである。7A and 7B are graphs showing curves measured experimentally for a linear detector and a second-order nonlinear detector. 図8A(従来技術)及び図8Bは、LP02モードの共焦点分解能を、LP01モードの共焦点分解能と比較するための実験用の設定の、一対の図である。8A (prior art) and FIG. 8B are a pair of experimental settings for comparing the confocal resolution of the LP 02 mode with the confocal resolution of the LP 01 mode. 図9A及び図9Bは、線形検出器及び二次の非線形検出器に対して測定された共焦点信号を示す、一対のグラフである。9A and 9B are a pair of graphs showing the confocal signal measured for a linear detector and a second order nonlinear detector. 本発明の態様による非線形顕微鏡システムの一般的な例を示す図である。It is a figure which shows the general example of the nonlinear microscope system by the aspect of this invention. 本発明の態様による非線形顕微鏡技術の一般的な例を示す流れ図である。2 is a flow diagram illustrating a general example of nonlinear microscopy techniques according to aspects of the present invention.

詳細な説明は、主に非線形顕微鏡を取り巻くシステムを説明しているが、本発明の範囲が、高次モードの光ファイバを使用する他の非線形光システムを包含することは、当業者には理解されよう。   Although the detailed description primarily describes systems surrounding nonlinear microscopes, those skilled in the art will appreciate that the scope of the invention encompasses other nonlinear optical systems that use higher order mode optical fibers. Let's be done.

非線形顕微鏡の場合、高次モードの励起光が、基本的なLP01モードの入射励起光に比べて、より優れた分解能をもたらすことができる。より優れた分解能は、基本モードの特性と比較した、1つまたは複数の高次モードの強度特性のそれぞれの形状から、また、入射光強度と蛍光との間の非線形関係から生じる。 In the case of a nonlinear microscope, higher-order mode excitation light can provide better resolution than basic LP 01 mode incident excitation light. Better resolution results from the shape of each of the intensity characteristics of one or more higher-order modes compared to the characteristics of the fundamental mode and from the non-linear relationship between incident light intensity and fluorescence.

本発明の態様は、2光子非線形顕微鏡に励起光を供給するために使用される、LP01モード及びLP02モードを使用することを背景において説明される。しかし、以下の議論が、他の高次モード及び他のタイプの非線形顕微鏡に拡張されうることが、理解されよう。さらに、蛍光の作成及び検出が、レーザ光の高強度領域の、高い空間拘束(spatial confinement)を利用する用途の一例に過ぎないことに、留意されたい。拘束されたレーザ光は、多光子化学反応または材料破損の促進など、任意の数の非線形効果を誘起するために使用されうる。本明細書で使用されるように、そのような用途を実施するために使用されるシステムは、一般に「非線形光システム」と呼ばれる。 Aspects of the present invention are described in the context of using LP 01 and LP 02 modes, which are used to provide excitation light to a two-photon nonlinear microscope. However, it will be appreciated that the following discussion can be extended to other higher order modes and other types of nonlinear microscopes. Furthermore, it should be noted that the creation and detection of fluorescence is only one example of an application that utilizes high spatial confinement of the high intensity region of the laser light. The constrained laser light can be used to induce any number of non-linear effects, such as promoting multi-photon chemical reactions or material failure. As used herein, systems used to implement such applications are commonly referred to as “nonlinear optical systems”.

本議論は、Mパラメータ及び「埋め込みガウス」ビームの概念を活用する。Mパラメータは、ビーム品質、即ち密なスポットに合焦される能力の尺度である。Mの最低可能値は、ガウス・ビームに対応する1である。所与の光ビームに対して、Mパラメータは、ビームの広がり角及びその最も狭い点の幅に基づいて求められ、所与のビームが、ガウス・ビームに比べて、回折限界(diffraction−limited)が何倍であるかを数値で表す。 This discussion takes advantage of the concept of M 2 parameters and “embedded Gaussian” beams. The M 2 parameter is a measure of the beam quality, ie the ability to focus on a dense spot. The lowest possible value of M 2 is 1, corresponding to a Gaussian beam. For a given light beam, the M 2 parameter is determined based on the beam divergence angle and the width of its narrowest point, and the given beam is diffraction-limited compared to a Gaussian beam. ) Is expressed as a numerical value.

LP02モード、LP03モード、及びLP04モードなど、さらなる高次モードは、中央ローブ及び1つまたは複数の外リングを含む非ガウス形状を有する。これらの形状に対するM値を求めることにおいて、ビーム幅は、横方向の強度分布の二次モーメントとして定義される。 Additional higher order modes, such as LP 02 mode, LP 03 mode, and LP 04 mode, have a non-Gaussian shape that includes a central lobe and one or more outer rings. In determining the M 2 values for these shapes, the beam width is defined as the second moment of the lateral intensity distribution.

「埋め込みガウス」ビームは、非ガウス・ビームが光システムを通していかに伝播するかを理解するために有用な概念である。ある光システムを通って伝播するガウス・ビームが、位置依存性のビーム幅、ω(z)を有する場合、同じ光システムを通って伝播し、知られているMパラメータを有する非ガウス・ビームのビーム幅を、M・ω(z)として、即ち位置依存性ビーム幅とM値の平方根であるMとの積として、表現することができる。 An “embedded Gaussian” beam is a useful concept for understanding how non-Gaussian beams propagate through optical systems. If a Gaussian beam propagating through an optical system has a position-dependent beamwidth, ω (z), it propagates through the same optical system and has a known M 2 parameter. Can be expressed as M · ω (z), that is, as the product of the position-dependent beam width and M, which is the square root of the M 2 value.

この概念を使用して、非ガウス・ビームに対して、その性能を埋め込みガウス・ビームの性能と比較することで、非ガウス・ビームに有効な分解能向上の尺度が与えられることが理解されよう。   It will be appreciated that using this concept, comparing the performance of a non-Gaussian beam with that of an embedded Gaussian beam provides an effective measure of resolution improvement for the non-Gaussian beam.

図2Aは、曲線101がLP01モードに対する強度特性を示し、曲線102がLP02モードに対する強度特性を示す、グラフ100を示す。2つの特性は、2つの特性間の直視による比較を提供するために、同じ埋め込みガウスのビーム幅ω(z)を有するように、拡縮されている。LP01モードの強度特性は、単一の中央ローブ101aで、ガウス形状を厳密に近似する。LP02曲線は、中央ローブ102a及び外リング102bを有する非ガウス形状で特徴づけられる。 FIG. 2A shows a graph 100 in which curve 101 shows the intensity characteristic for the LP 01 mode and curve 102 shows the intensity characteristic for the LP 02 mode. The two characteristics have been scaled to have the same embedded Gaussian beam width ω (z) to provide a direct view comparison between the two characteristics. The intensity characteristic of the LP 01 mode is a single central lobe 101a that closely approximates a Gaussian shape. The LP 02 curve is characterized by a non-Gaussian shape with a central lobe 102a and an outer ring 102b.

LP01モードは、その近ガウス形状を反映する、1強のM値を有する。LP02モードは、非ガウスのエネルギー分布を有する。ビーム幅の二次モーメントの定義を使用して、図2Aに示すLP02モードに対するMの値は約3であり、M値は約1.7である。 The LP 01 mode has a strong M 2 value that reflects its near Gaussian shape. The LP 02 mode has a non-Gaussian energy distribution. Using the definition of the second moment of beam width, the value of M 2 for the LP 02 mode shown in FIG. 2A is about 3 and the M value is about 1.7.

2光子顕微鏡では、入射光強度と蛍光色素分子励起との間の関係は、二次である。従って、LP01モード及びLP02モードを使用して、2光子顕微鏡で達成可能なそれぞれの分解能の比較では、それらそれぞれの強度特性を2乗する必要がある。2乗されないLP01モード及びLP02モードの強度特性は、単一の光子が所与の時間に所与の場所に存在するであろう確率を表すとみなされうる。従って、それぞれの強度特性の2乗は、2つの光子が所与の場所に同時に存在するであろう確率を表すとみなされうる。 In a two-photon microscope, the relationship between incident light intensity and fluorescent dye molecule excitation is secondary. Thus, using the LP 01 mode and the LP 02 mode, the respective resolution comparisons achievable with a two-photon microscope need to square their respective intensity characteristics. The intensity characteristics of the LP 01 and LP 02 modes that are not squared can be considered to represent the probability that a single photon will be present at a given location at a given time. Thus, the square of each intensity characteristic can be considered to represent the probability that two photons will be simultaneously present at a given location.

図2Bは、曲線111がLP01モードに対する2乗された強度特性を示し、曲線112がLP02モードに対する2乗された強度特性を示す、グラフ110を示す。2乗した後、LP02モードの外リング112bは大幅に抑制され、今や、中央ローブ112aが支配的である。 FIG. 2B shows a graph 110 in which curve 111 shows the squared intensity characteristic for the LP 01 mode and curve 112 shows the squared intensity characteristic for the LP 02 mode. After squaring, the outer ring 112b in LP 02 mode is greatly suppressed and the central lobe 112a is now dominant.

2乗されたLP02モードの強度特性112の支配的な中央ローブ112aは、2乗されたLP01モードの強度特性111の中央ローブ111aより大幅に狭い。従って、LP02モードのビーム幅が、LP01モードのビーム幅より大幅に大きいとしても、2乗されたモードの強度特性は、2光子顕微鏡では、LP02モードが、より優れた分解能をもたらすことを表す。 The dominant central lobe 112a of the intensity characteristic 112 of the squared LP 02 mode is significantly narrower than the central lobe 111a of the intensity characteristic 111 of the squared LP 01 mode. Therefore, even if the beam width of the LP 02 mode is significantly larger than the beam width of the LP 01 mode, the intensity characteristic of the squared mode shows that the LP 02 mode provides better resolution in a two-photon microscope. Represents.

図3Aは、本発明の態様による、例示的2光子非線形顕微鏡システム120の図を示し、高次モードのレーザ・ビームが、入射励起光を供給するために使用される。図3Aでは、顕微鏡システム120は、フェムト秒レーザなどのレーザ光源122を備え、最初にシングル・モード・ファイバSMF124で誘導されるパルス・レーザ出力を供給する。代替の光源が、より長いパルスを使用してよく、またはさらには連続波放出を生成してよいが、より高いピーク・パワーは、通常、より短いパルスを使用して達成される。長周期グレーティング(LPG)126が、SMF124の出力端に接続され、レーザ出力の所望の高次モードの効率的な励起をもたらす。説明された本発明の実施では、LPG126は、HOMファイバ128の中に直接書き込まれるのが好ましい。一般的に言えば、LPG126が別個のファイバの中に書き込まれ、次いで、LPG126がHOMファイバ128にスプライスされることも可能であることに留意されたい。本例では、LPG126が、LP02モードの励起を高次モード(HOM)ファイバ128の中にもたらす。以下に論じるように、例えばLP03モード及びLP04モードを含む、他の高次モードを使用することも可能である。通常、さらなるモードは、中心線におけるそれらの局在化されたピーク強度が高い故に、望まれる。 FIG. 3A shows a diagram of an exemplary two-photon nonlinear microscope system 120 according to an aspect of the present invention, where a higher order mode laser beam is used to provide incident excitation light. In FIG. 3A, the microscope system 120 includes a laser light source 122 such as a femtosecond laser and provides a pulsed laser output that is initially guided by a single mode fiber SMF 124. Alternative light sources may use longer pulses, or even generate continuous wave emission, but higher peak power is usually achieved using shorter pulses. A long period grating (LPG) 126 is connected to the output of the SMF 124 to provide efficient excitation of the desired higher order mode of the laser output. In the described implementation of the invention, the LPG 126 is preferably written directly into the HOM fiber 128. It should be noted that, generally speaking, the LPG 126 can be written into a separate fiber and then the LPG 126 can be spliced to the HOM fiber 128. In this example, LPG 126 provides LP 02 mode excitation into higher order mode (HOM) fiber 128. As discussed below, other higher order modes can be used including, for example, the LP 03 mode and the LP 04 mode. Usually, further modes are desired because of their high localized peak intensity at the centerline.

さらに、中央領域の外の光は、非線形相互作用に寄与しないので、低次の高次モードを使用することが有利である。というのは、全パワーに対するより大きな割合が、中央ローブに存在するからである。対照的に、いわゆる「ベッセル・ビーム(Bessel Beam)」では、光パワーは、多くの同心円リングに分配され、リングに比較して中央に伝えられる相対的なパワーが減じられる。低次モードにおいて、全パワーに対するより大きな割合が中央ローブに伝えられ、そのことは、多くの非線形相互作用にとって望ましい。従って、本明細書で使用されるように、「低次の高次モード」は、ファイバで誘導される、中央ローブを有する高次モードに言及し、そのモードは、一般に、LP0nモードとして特徴づけられ、ここでnは、5未満である。 In addition, light outside the central region does not contribute to nonlinear interactions, so it is advantageous to use a lower order higher order mode. This is because a larger percentage of the total power is present in the central lobe. In contrast, in so-called “Bessel Beams”, the optical power is distributed to many concentric rings, and the relative power transmitted to the center is reduced compared to the rings. In the low order mode, a larger percentage of the total power is transferred to the central lobe, which is desirable for many nonlinear interactions. Thus, as used herein, “low order higher order mode” refers to a higher order mode with a central lobe guided by a fiber, which mode is generally characterized as an LP 0n mode. Where n is less than 5.

HOMファイバ128は、端面130を有し、その端面から、高次モードのレーザ光が、構造化された自由空間ビーム出力132として放出される。本発明の他の態様では、高次モードは、レーザ光が導波路を出た後、アキシコン(axicon)、位相板、空間光変調器、他など、バルク光要素を使用して作り出されうる。しかし、導波路ベースのモード変換器の1つの利点は、バルク光要素を使用することに比較して、光が、望ましくないモードの中にほとんど結合しない、固有の1つまたは複数のモードの励起にある。この利点が、光パワーのより効率的な利用を可能にする。本説明のために、ビームがLP02モードとして伝播する導波路を出るビームは、「LP02−構造化ビーム」と呼ばれる。LP02−構造化ビームの出力132は、走査ミラー組立体134によって、レーザ光132を試料138の上に密に合焦する対物レンズ136に導かれる。2つの光子を同時に吸収する、試料138の中の蛍光色素分子が、励起状態に入り、励起体積内で生じる2光子励起の量を表す強度を有する蛍光140の放出を結果としてもたらす。合焦されたレーザ光が、試料138の選択された領域にわたって走査され、それにより、走査領域にわたる、ポイント毎の、放出された蛍光の強度データがもたらされる。放出された蛍光は、フォトダイオード、他など、適切な検出器142で検出される。画像生成器144は、検出された信号を使用して、走査された試料の領域の顕微鏡画像を生成する。 The HOM fiber 128 has an end face 130 from which high-order mode laser light is emitted as a structured free space beam output 132. In other aspects of the invention, higher order modes can be created using bulk optical elements, such as axicons, phase plates, spatial light modulators, etc., after the laser light exits the waveguide. However, one advantage of waveguide-based mode converters is the inherent excitation of one or more modes in which light hardly couples into undesirable modes compared to using bulk optical elements. It is in. This advantage allows more efficient use of optical power. For purposes of this description, the beam exiting the waveguide where the beam propagates as the LP 02 mode is referred to as the “LP 02 -structured beam”. The LP 02 -structured beam output 132 is directed by the scanning mirror assembly 134 to an objective lens 136 that focuses the laser light 132 closely onto the sample 138. Fluorescent dye molecules in sample 138 that absorb two photons simultaneously enter the excited state, resulting in the emission of fluorescence 140 having an intensity representative of the amount of two-photon excitation that occurs in the excitation volume. The focused laser light is scanned over a selected region of the sample 138, resulting in point-by-point emitted fluorescence intensity data across the scanned region. The emitted fluorescence is detected with a suitable detector 142, such as a photodiode or the like. Image generator 144 uses the detected signal to generate a microscopic image of the scanned region of the sample.

図3Bは、本発明の他の態様による、走査型共焦点2光子顕微鏡システム150を示す。図3Aの顕微鏡システム120と同様に、図3Bの顕微鏡システム150は、フェムト秒レーザ152と、シングル・モード・ファイバ(SMF)154と、長周期グレーティング156と、LP02モードのパルス・レーザ・ビーム162を出力として供給する出力端面160を有する高次モード(HOM)ファイバ158とを含む。レーザ・ビーム162は、走査ミラー組立体164で誘導され、対物レンズ166によって試料168の上に合焦され、2光子蛍光170の放出を結果としてもたらす。 FIG. 3B shows a scanning confocal two-photon microscope system 150 according to another aspect of the present invention. Similar to microscope system 120 of FIG. 3A, microscope system 150 of FIG. 3B includes femtosecond laser 152, single mode fiber (SMF) 154, long period grating 156, and LP 02 mode pulsed laser beam. And a higher order mode (HOM) fiber 158 having an output end face 160 that supplies 162 as an output. Laser beam 162 is directed at scanning mirror assembly 164 and focused onto sample 168 by objective lens 166, resulting in the emission of two-photon fluorescence 170.

図3Bの顕微鏡システム150は、検出器レンズ174と、入力端面178を有する第2のシングル・モード・ファイバ176と、第2のシングル・モード・ファイバ176の中に書き込まれた第2の長周期グレーティング180とを備える出力ピンホール組立体172をさらに含む。検出器レンズ174は、放出された蛍光170を端面178の上に合焦する。次いで、この蛍光は、第2のシングル・モード・ファイバ176によって第2の長周期グレーティング180に誘導される。次いで、合焦された、放出された蛍光は、検出器182に誘導される。次いで、画像生成器184は、蛍光データを使用して、走査された試料の領域の顕微鏡画像を生成する。   The microscope system 150 of FIG. 3B includes a detector lens 174, a second single mode fiber 176 having an input end face 178, and a second long period written into the second single mode fiber 176. An output pinhole assembly 172 comprising a grating 180 is further included. The detector lens 174 focuses the emitted fluorescence 170 on the end face 178. This fluorescence is then directed to the second long period grating 180 by the second single mode fiber 176. The focused, emitted fluorescence is then directed to detector 182. Image generator 184 then uses the fluorescence data to generate a microscopic image of the scanned area of the sample.

出力ピンホール組立体172は、深さ分解能(即ち、距離分解能)を顕微鏡システム150に付加する。というのは、ビームの焦点の中で生成された信号だけが、検出器による測定のための、第2のシングル・モード・ファイバ176の中に、効率的に結合することができるからである。この設定により、試料の3次元非線形画像が、試料を、横方向及び軸方向の両方に走査することによって得られる。   The output pinhole assembly 172 adds depth resolution (ie distance resolution) to the microscope system 150. This is because only the signal generated in the focus of the beam can be efficiently coupled into the second single mode fiber 176 for measurement by the detector. With this setting, a three-dimensional nonlinear image of the sample is obtained by scanning the sample both laterally and axially.

非線形励起のもとで、2光子蛍光、または非線形光プロセスによって誘起された任意の放出は、図2Bに示すように、中央のピークが非線形信号において強調されるので、高次モードのようには見えず、より基本モードのように見えることに留意されたい。それ故、HOMファイバに基づいた非線形共焦点顕微鏡に対して、出力ピグテール(pigtail)は、HOMファイバではなく、シングル・モード・ファイバであるべきである。線形共焦点顕微鏡では、出力ファイバは、やはり、HOMファイバでなければならないであろう。   Under non-linear excitation, any emission induced by two-photon fluorescence, or non-linear optical processes, as shown in FIG. 2B, as the higher order modes, as the central peak is enhanced in the non-linear signal. Note that it does not look and looks more like a basic mode. Therefore, for nonlinear confocal microscopes based on HOM fibers, the output pigtail should be a single mode fiber, not a HOM fiber. In a linear confocal microscope, the output fiber will again have to be a HOM fiber.

図3A及び図3Bの顕微鏡システムにおいて、HOMファイバ128、158を使用することで、非線形顕微鏡における横分解能と共に共焦点の分解能も改良される。HOMファイバは、この用途において、その全ファイバ設定(all−fiber setup)との互換性、及びそのフェムト秒パルス伝送との互換性を含む、複数の理由に対して魅力的である。   In the microscope system of FIGS. 3A and 3B, the use of HOM fibers 128, 158 improves the confocal resolution as well as the lateral resolution in the nonlinear microscope. HOM fiber is attractive for a number of reasons in this application, including compatibility with its all-fiber setup and compatibility with its femtosecond pulse transmission.

HOMファイバの高分散度が、SMFファイバより良好なパルス伝送を可能にする。特に、HOMファイバの分散特性は、パルスを、伝播中に圧縮または伸張するように設計可能であり、試料の上に、より望ましいパルス形状の入射を結果としてもたらす。長周期グレーティング技術は、所望の高次モードの効率的な励起を可能にし、また、モード変換器の共鳴的性質による波長選択性を提供することができる。モード変換器の数多くの例が、長周期グレーティングを使用して導波路の中に作り出されるモード変換器を含めて、当業界に存在する。上述の、2乗されたLP02モードの強度特性の、スパイク形状の中央ローブが、非線形顕微鏡において、LP01モードに比べて高められた横分解能を可能にする。LP02モードの高いM値(約3)が、LP01モードに比べて高められた共焦点分解能を可能にする。 The high dispersion of HOM fiber allows better pulse transmission than SMF fiber. In particular, the dispersion characteristics of the HOM fiber can be designed to compress or stretch the pulse during propagation, resulting in a more desirable pulse shape incidence on the sample. Long period grating technology allows efficient excitation of the desired higher order modes and can provide wavelength selectivity due to the resonant nature of the mode converter. Many examples of mode converters exist in the industry, including mode converters that are created in waveguides using long period gratings. The spike-shaped central lobe of the intensity characteristics of the squared LP 02 mode described above allows increased lateral resolution in a nonlinear microscope compared to the LP 01 mode. The high M 2 value of LP 02 mode (about 3) allows for increased confocal resolution compared to LP 01 mode.

図4及び図5は、LP01モードを使用した非線形顕微鏡システムの分解能を、LP02モードを使用した非線形顕微鏡システムの分解能と比較するように設計された試験用設定240、270を示す、一対の概略図である。 FIGS. 4 and 5 show a pair of test settings 240, 270 designed to compare the resolution of a nonlinear microscope system using LP 01 mode with the resolution of a nonlinear microscope system using LP 02 mode. FIG.

図4の設定240では、1550nmフェムト秒エルビウム・レーザ242からのパルス・レーザ・ビームが、シングル・モード・ファイバ244のLP01モードで伝播する。図5の設定270では、1550nmフェムト秒エルビウム・レーザ272からのパルス・レーザ・ビームが、高次モード・ファイバ274のLP02モードを励起する長周期グレーティング273の中に誘導される。 In the setting 240 of FIG. 4, the pulsed laser beam from the 1550 nm femtosecond erbium laser 242 propagates in the LP 01 mode of the single mode fiber 244. In the setting 270 of FIG. 5, the pulsed laser beam from the 1550 nm femtosecond erbium laser 272 is directed into the long period grating 273 that excites the LP 02 mode of the higher order mode fiber 274.

両試験用設定240、270では、ファイバ・レーザ出力246、276が、第1のレンズ248、278でコリメートされる。次いで、コリメート光250、280が、第2のレンズ252、282で合焦される。次いで、焦点254、284が、第3のレンズ256、286によって、インジウム・ガリウム・ヒ素(InGaAs)フォトダイオード、シリコン(Si)フォトダイオード、他など、2光子光電流を生み出す、適切な線形または非線形の検出器258、288上に結像する。   In both test settings 240, 270, the fiber laser outputs 246, 276 are collimated by the first lenses 248, 278. Next, the collimated lights 250 and 280 are focused by the second lenses 252 and 282. The focal points 254, 284 then produce appropriate two-photon photocurrents, such as indium gallium arsenide (InGaAs) photodiodes, silicon (Si) photodiodes, etc., by the third lenses 256, 286, etc. Image on the detectors 258, 288.

ナイフ・エッジ260、290が、ビームの焦点254、284を通して平行移動され、検出器258、288上の光電流の量が、ナイフ・エッジの位置の関数として測定される。位置に対するこの曲線の斜度が、顕微鏡の分解能の尺度である。   Knife edges 260, 290 are translated through beam focal points 254, 284 and the amount of photocurrent on detectors 258, 288 is measured as a function of knife edge position. The slope of this curve with respect to position is a measure of the resolution of the microscope.

レンズは、両ビームが、集束レンズ252、282の直前のコリメート領域250、280の中で、同じ埋め込みガウス幅を有するように選択される。このことで、ビームの焦点284において、LP02のビームはLP01より、幅が約M倍大きいことが確保され、ここでLP02のビームのMは、約3である。 The lenses are selected such that both beams have the same embedded Gaussian width in the collimated regions 250, 280 just before the focusing lenses 252, 282. This ensures that at the beam focus 284, the LP 02 beam is approximately M times wider than LP 01 , where the LP 02 beam M 2 is approximately 3.

図6A〜図6Cは、LP01モード及びLP02モードに対する計算された強度特性に基づいて推測された理論的信号を示す、一連のグラフ300、310、320である。 6A-6C are a series of graphs 300, 310, 320 showing theoretical signals inferred based on the calculated intensity characteristics for the LP 01 and LP 02 modes.

図6Aのグラフ300は、検出器がビームの強度に対して線形に応答する場合の、LP01モード(曲線301)及びLP02モード(曲線302)に対する、信号対ナイフ・エッジ位置を示す。 The graph 300 of FIG. 6A shows the signal versus knife edge position for the LP 01 mode (curve 301) and the LP 02 mode (curve 302) when the detector responds linearly to the beam intensity.

図6Bのグラフ310は、2乗された強度に応答する二次の非線形検出器に対して、LP01モード(曲線311)及びLP02モード(曲線312)に対する信号を示す。線形検出器の場合、LP02の曲線は、縁部において外リングに支配され、従って、曲線の勾配は、LP01のビームより小さい。しかし、非線形検出器に対して、LP02のビームの外リングは抑制され、LP02の曲線の勾配はLP01より鋭くなり、顕微鏡など、非線形、または多光子の物質との相互作用を利用する装置において、LP02のビームにおける向上された分解能に対する潜在力を示す。 Graph 310 in FIG. 6B shows the signals for the LP 01 mode (curve 311) and LP 02 mode (curve 312) for a second order nonlinear detector responsive to the squared intensity. In the case of a linear detector, the LP 02 curve is dominated by the outer ring at the edge, so the slope of the curve is smaller than the LP 01 beam. However, for non-linear detectors, the outer ring of the LP 02 beam is suppressed, and the slope of the LP 02 curve is sharper than LP 01 , taking advantage of interactions with non-linear or multi-photon materials such as microscopes. The apparatus shows the potential for improved resolution in the LP 02 beam.

図6Cのグラフ(320)は、三次の非線形検出器における、LP01モード(曲線321)及びLP02モード(曲線322)に対する信号を示す。さらに大きな、推測された改良が、ウィングのさらなる抑制及びLP01の分解能のほぼ2倍となるLP02の分解能によって、示される。 The graph (320) of FIG. 6C shows the signals for the LP 01 mode (curve 321) and LP 02 mode (curve 322) in a third-order nonlinear detector. A much larger, inferred improvement is shown by the further suppression of the wing and the resolution of LP 02 that is approximately twice the resolution of LP 01 .

図7Aは、線形検出器258、288における、LP01モード(曲線331)及びLP02モード(曲線332)に対する、実験的に測定された曲線を示すグラフ330である。図7Bは、非線形検出器258、288における、LP01モード(曲線341)及びLP02モード(曲線342)に対する、実験的に測定された曲線を示すグラフ340である。三次の測定は、これらの実験においてなされなかった。 FIG. 7A is a graph 330 showing experimentally measured curves for LP 01 mode (curve 331) and LP 02 mode (curve 332) in linear detectors 258,288. FIG. 7B is a graph 340 showing experimentally measured curves for LP 01 mode (curve 341) and LP 02 mode (curve 342) in non-linear detectors 258,288. Third order measurements were not made in these experiments.

図7A及び図7Bの実験的曲線331、332、341及び342と、図6A及び図6Bの理論的曲線301、302、311及び312との間の対応関係に留意されたい。線形検出器(曲線301、302、331及び332)の場合、LP02は、外リングのため、比較的悪い分解能をもたらすが、非線形検出器(曲線311、312、341及び342)に対して外リングは抑制され、中央のスパイクが支配し、LP02の測定値の勾配が、LP01の勾配より大きくなる。高次モードのメリットは、LP02の外リングのより良好な抑制をもたらすであろう、第三高調波発生などの高次非線形性に対して、よりいっそう大きいであろう。 Note the correspondence between the experimental curves 331, 332, 341 and 342 of FIGS. 7A and 7B and the theoretical curves 301, 302, 311 and 312 of FIGS. 6A and 6B. For linear detectors (curves 301, 302, 331 and 332), LP 02 provides a relatively poor resolution due to the outer ring, but out of the nonlinear detectors (curves 311, 312, 341 and 342). The ring is suppressed and the central spike dominates and the measured slope of LP 02 is greater than the slope of LP 01 . The benefits of higher order modes will be even greater for higher order nonlinearities such as third harmonic generation, which will result in better suppression of the outer ring of LP 02 .

これらの測定値は、非線形顕微鏡において、LP02の横分解能が、LP01の横分解能より良好でありうることを示す。また、HOMは、大きなM値を持つビームがより速く回折することによって、共焦点の設定において、より大きなメリットを付加する。 These measurements indicate that LP 02 can have better lateral resolution than LP 01 in a nonlinear microscope. HOM also adds greater merit in confocal settings by diffracting beams with large M 2 values faster.

図8A及び8Bは、LP02モードの共焦点分解能をLP01モードと比較するための実験的設定360、380を示す。図8Aの設定360では、フェムト秒レーザ362からのパルス・レーザ・ビームが、シングル・モード・ファイバ364のLP01モードにおいて伝播する。図8Bの設定380では、フェムト秒レーザ382からのパルス・レーザ・ビームが、シングル・モード・ファイバ383によって、高次モード・ファイバ385のLP02モードを励起する長周期グレーティング384の中に誘導される。 8A and 8B show experimental settings 360, 380 for comparing the confocal resolution of the LP 02 mode with the LP 01 mode. In the setting 360 of FIG. 8A, the pulsed laser beam from the femtosecond laser 362 propagates in the LP 01 mode of the single mode fiber 364. In the setting 380 of FIG. 8B, the pulsed laser beam from the femtosecond laser 382 is directed by the single mode fiber 383 into the long period grating 384 that excites the LP 02 mode of the higher order mode fiber 385. The

両試験用設定360、380では、ファイバ・レーザ出力366、386が、第1のレンズ368、388でコリメートされる。次いで、コリメート光370、390は、第2のレンズ372、392によって、軸方向に走査されるミラー374、394上に再合焦される。ビームから反射されたパワーは、光システムを通って戻り方向に伝播し、ファイバ364、385の中に戻り方向に結合される。反対方向に伝播するパワーが、95/5スプリッタ376、396の5%タップを通して検出される。また、有利なことに、サーキュレータが、タップの代わりに使用されうる。反射された光パワーが、ミラー位置の関数としてプロットされる。   In both test settings 360, 380, the fiber laser output 366, 386 is collimated by the first lens 368, 388. Then, the collimated lights 370 and 390 are refocused on the mirrors 374 and 394 scanned in the axial direction by the second lenses 372 and 392. The power reflected from the beam propagates back through the optical system and is coupled back into the fibers 364, 385. Power propagating in the opposite direction is detected through the 5% taps of 95/5 splitters 376,396. Also advantageously, a circulator can be used instead of a tap. The reflected light power is plotted as a function of mirror position.

図9Aは、線形検出器に対して測定された共焦点信号を示すグラフ400である。線形検出器に対してさえも、LP02(曲線402)は、LP02の大きなM値によって、LP01(曲線401)に比べて、はるかに鋭い応答曲線を有する。 FIG. 9A is a graph 400 showing the confocal signal measured for a linear detector. Even for a linear detector, LP 02 (curve 402) has a much sharper response curve than LP 01 (curve 401) due to the large M 2 value of LP 02 .

図9Bは、非線形検出器の応答が、線形検出器からの信号を2乗することによってシミュレーションされたグラフ410である。図9Bに見られるように、LP02モード(曲線412)を有する非線形共焦点顕微鏡は、LP01モード(曲線411)に比べてずっと鋭い共焦点応答を提示する。 FIG. 9B is a graph 410 in which the response of the non-linear detector is simulated by squaring the signal from the linear detector. As can be seen in FIG. 9B, the nonlinear confocal microscope with the LP 02 mode (curve 412) presents a much sharper confocal response compared to the LP 01 mode (curve 411).

本発明の他の態様によれば、本明細書で説明される高次モード・ファイバは、非線形顕微鏡の個別の用途に対して最適化される。一般的に言えば、高次モード非線形顕微鏡において、LP01入射光を使用する非線形顕微鏡に比べて、より良好な分解能を得るために、モード形状を最適化することが可能である。 In accordance with other aspects of the invention, the higher order mode fibers described herein are optimized for individual applications of nonlinear microscopes. Generally speaking, in a higher-order mode nonlinear microscope, it is possible to optimize the mode shape in order to obtain better resolution compared to a nonlinear microscope using LP 01 incident light.

ファイバの設計を通して、モード形状が、以下の方法で調整されうる。
1.ファイバのM値が調整されうる。より低いM値が、潜在的に、焦点面においてより密な合焦を可能にする。
2.LP02モードの、中央ローブ及び外リングにおけるパワーの割合が、調整されうる。外リングにおけるパワーがより少ないと、二次の非線形測定値におけるそのパワーの影響は、小さくなる。
3.外リングの大きさと幅とは、トレードオフされうる。外リングの大きさを減少させながら、同時に幅を増加させることによって、外リングのパワーが一定に保持され、非線形測定値に対する外リングの影響が減少されうる。
4.中央ローブは、潜在的に、より狭くすることができ、分解能が向上する。
5.LP03またはLP04など、異なる次数のモードまたはそれらの組合せが、使用されうる。複数のモードが組み合わされた場合、ビームが、所望の方式で、例えば建設的に、試料の上で組み合わさることを確実にするために、モード間の相対的な位相関係に注意する必要がある。
Throughout the fiber design, the mode shape can be adjusted in the following manner.
1. The M 2 value of the fiber can be adjusted. Lower M 2 values potentially allow closer focusing in the focal plane.
2. The percentage of power in the center lobe and outer ring of the LP 02 mode can be adjusted. The less power in the outer ring, the less the influence of that power on the second order nonlinear measurements.
3. The size and width of the outer ring can be traded off. By reducing the size of the outer ring while simultaneously increasing the width, the power of the outer ring can be kept constant and the influence of the outer ring on the non-linear measurements can be reduced.
4). The central lobe can potentially be narrower, improving resolution.
5. Different order modes, or combinations thereof, such as LP 03 or LP 04 may be used. When multiple modes are combined, care must be taken with the relative phase relationship between the modes to ensure that the beam combines on the sample in the desired manner, eg, constructively. .

これらの設計の調整のすべては、相互に関係づけられていることに、留意することが重要である。例えば、外リングにおけるパワーの割合、またはその幅及び大きさ、を調整することで、やはり、ビームのMが変わるであろう。 It is important to note that all of these design adjustments are interrelated. For example, the ratio of power in the outer ring or the width and size, by adjusting the still will M 2 beam changes.

図10は、本発明の態様による、一般的な非線形光システム500の図である。システム500は、構造化された自由空間ビームを出力504として供給する、HOM光源502を含む。照射組立体506が、出力504を使用して試料508に光を当て、それにより、光出力510を試料から生成する。次いで、画像化組立体512が、光出力510から導き出された非線形信号514を使用して、試料508の顕微鏡画像514を生成する。上で説明した本発明の例では、非線形信号は、多光子蛍光信号を含む。あるいは、非線形信号は、例えば、第二高調波信号、第三高調波信号、ラーマン信号、他を含んでよい。   FIG. 10 is a diagram of a general nonlinear optical system 500 in accordance with aspects of the present invention. System 500 includes a HOM light source 502 that provides a structured free space beam as output 504. The illumination assembly 506 uses the output 504 to illuminate the sample 508, thereby generating a light output 510 from the sample. Imaging assembly 512 then generates a microscope image 514 of sample 508 using a non-linear signal 514 derived from light output 510. In the example of the invention described above, the nonlinear signal includes a multiphoton fluorescence signal. Alternatively, the nonlinear signal may include, for example, a second harmonic signal, a third harmonic signal, a Raman signal, and the like.

図11は、本発明の態様による、一般的な非線形顕微鏡技術600の流れ図である。方法は、以下のステップを含む。
ステップ601:ファイバで誘導されるレーザ光の、低次の高次モードを励起する。
ステップ602:構造化された自由空間ビームを出力として供給する。
ステップ603:構造化された自由空間ビームを使用して、試料の一領域への照射をもたらし、それにより、光出力を試料から生成する。
ステップ604:光出力から導き出された非線形信号を使用して、試料の領域の顕微鏡画像を生成する。
FIG. 11 is a flow diagram of a general nonlinear microscopy technique 600 according to an aspect of the present invention. The method includes the following steps.
Step 601: A low-order high-order mode of laser light guided by a fiber is excited.
Step 602: Provide a structured free space beam as output.
Step 603: A structured free space beam is used to provide illumination to an area of the sample, thereby generating light output from the sample.
Step 604: Use a non-linear signal derived from the light output to generate a microscopic image of the region of the sample.

上の説明は、当業者が本発明を実施することを可能にするであろう詳細を含むが、説明は本質的に例示的であり、説明に対する多くの改変及び変形が、これらの教示のメリットを有する当業者にとって明白であることを、理解されたい。従って、本明細書の本発明は、本明細書に添付される特許請求の範囲によってのみ定義され、特許請求の範囲は、従来技術によって許容される限り広く解釈されることが意図されている。   While the above description includes details that will enable those skilled in the art to practice the invention, the description is exemplary in nature and many modifications and variations to the description will benefit from these teachings. It should be understood that it will be apparent to those skilled in the art. Accordingly, the invention herein is defined solely by the claims appended hereto and is intended to be construed as broadly as permitted by the prior art.

Claims (11)

光源と、
前記光源から光を受け、試料の一領域に光を当てて前記試料の空間領域に非線形応答を生成するための構造化された自由空間ビームを供給する光伝送システムと、
を備え、
前記試料の一領域に伝送された前記構造化された自由空間ビームが、高次モードのファイバの端面から高次のLPモードの自由空間出力を備え、前記ファイバの出力が、知られている1よりも大きいM パラメータ、及びMと1に等しいM パラメータを有する埋め込みガウス・ビームの位置依存性ビーム幅ω(z)との積として表現できるビーム幅を伴う非ガウス形状を有するように前記光伝送システムは構成され、
前記構造化された自由空間ビームによって生成された前記非線形応答の前記空間領域が幅を有し、前記幅は、前記試料に前記構造化された自由空間ビームの前記埋め込みガウス・ビームのみによって光が当てられた際に生成される前記非線形応答の空間領域の幅よりも小さくなるように前記非ガウス形状は構造化される、非線形光システム。
A light source;
An optical transmission system that receives light from the light source and provides a structured free space beam to illuminate a region of the sample and generate a nonlinear response in the spatial region of the sample;
With
The structured free space beam transmitted to a region of the sample comprises a high order LP mode free space output from the end face of the high order mode fiber, and the output of the fiber is known 1 A non-Gaussian shape with a beam width that can be expressed as a product of a larger M 2 parameter and a position-dependent beam width ω (z) of an embedded Gaussian beam with M 2 parameter equal to 1 The optical transmission system is composed
The spatial region of the non-linear response generated by the structured free space beam has a width, and the width is such that light is only applied to the sample by the embedded Gaussian beam of the structured free space beam. A non-linear optical system, wherein the non-Gaussian shape is structured to be smaller than the width of the spatial domain of the non-linear response generated when applied.
前記構造化されたビームを前記試料の上に合焦する照射組立体をさらに備える、請求項1に記載のシステム。   The system of claim 1, further comprising an illumination assembly that focuses the structured beam onto the sample. 前記照射組立体が、前記構造化されたビームに前記試料の範囲にわたって走査させる、請求項2に記載のシステム。   The system of claim 2, wherein the illumination assembly causes the structured beam to scan across the sample. 前記光伝送システムが、シングル・モード・ファイバと、モード変換器と、高次モード・ファイバとを備え、
前記構造化された自由空間ビームが、前記高次モード・ファイバの端面における出力として提供される、請求項1に記載のシステム。
The optical transmission system comprises a single mode fiber, a mode converter, and a higher order mode fiber,
The system of claim 1, wherein the structured free space beam is provided as an output at an end face of the higher order mode fiber.
前記モード変換器が、前記高次モード・ファイバの少なくとも1つの低次の高次モードを励起するよう構成される、請求項4に記載のシステム。   The system of claim 4, wherein the mode converter is configured to excite at least one lower order higher order mode of the higher order mode fiber. 前記非線形応答を検出し、前記非線形応答から導き出された信号を使用して、前記試料の顕微鏡画像を生成する画像化組立体をさらに備える、請求項1に記載の光システム。   The optical system of claim 1, further comprising an imaging assembly that detects the non-linear response and uses a signal derived from the non-linear response to generate a microscopic image of the sample. 共焦点分解能を前記顕微鏡画像に付加する出力ピンホール組立体をさらに含む、請求項6に記載のシステム。   The system of claim 6, further comprising an output pinhole assembly that adds confocal resolution to the microscopic image. 試料から顕微鏡画像を生成する方法であって、
(a)光を光源から受け、
(b)前記光の低次の高次モードを励起し、
(c)構造化された自由空間ビームを供給し、
(d)試料の一領域を前記構造化された自由空間ビームで照射し、そして、
(e)前記試料の空間領域に非線形応答を生成し、
前記試料の一領域に伝送された前記構造化された自由空間ビームが、高次モードのファイバの端面から高次のLPモードの自由空間出力を備え、前記ファイバの出力が、知られている1よりも大きいM パラメータ、及びMと1に等しいM パラメータを有する埋め込みガウス・ビームの位置依存性ビーム幅ω(z)との積として表現できるビーム幅を伴う非ガウス形状を有するように前記光伝送システムは構成され、
前記構造化された自由空間ビームによって生成された前記非線形応答の前記空間領域が幅を有し、前記幅は、前記試料に前記構造化された自由空間ビームの前記埋め込みガウス・ビームのみによって光が当てられた際に生成される前記非線形応答の空間領域の幅よりも小さくなるように前記非ガウス形状は構造化される、方法。
A method for generating a microscopic image from a sample, comprising:
(A) receiving light from a light source;
(B) exciting a lower order higher order mode of the light;
(C) providing a structured free space beam;
(D) illuminating a region of the sample with the structured free space beam; and
(E) generating a non-linear response in the spatial region of the sample;
The structured free space beam transmitted to a region of the sample comprises a high order LP mode free space output from the end face of the high order mode fiber, and the output of the fiber is known 1 A non-Gaussian shape with a beam width that can be expressed as a product of a larger M 2 parameter and a position-dependent beam width ω (z) of an embedded Gaussian beam with M 2 parameter equal to 1 The optical transmission system is composed
The spatial region of the non-linear response generated by the structured free space beam has a width, and the width is such that light is only applied to the sample by the embedded Gaussian beam of the structured free space beam. The method wherein the non-Gaussian shape is structured to be smaller than the width of the spatial domain of the non-linear response generated when applied.
前記ステップ(d)は、前記構造化された自由空間ビームに前記試料の範囲にわたって走査させる、請求項8に記載の方法。  9. The method of claim 8, wherein step (d) causes the structured free space beam to scan across the sample. (f)前記非線形放出から導き出された非線形信号を使用して前記試料の顕微鏡画像を生成する、ことをさらに含む請求項9に記載の方法。   10. The method of claim 9, further comprising: (f) generating a microscopic image of the sample using a nonlinear signal derived from the nonlinear emission. (f)共焦点分解能を前記顕微鏡画像に付加するために出力ピンホールを使用する、ことをさらに含む、請求項10に記載の方法。   11. The method of claim 10, further comprising: (f) using an output pinhole to add confocal resolution to the microscopic image.
JP2010262163A 2009-11-25 2010-11-25 Nonlinear optical system and technology Active JP5729982B2 (en)

Applications Claiming Priority (6)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US26453809P 2009-11-25 2009-11-25
US61/264,538 2009-11-25
US26527109P 2009-11-30 2009-11-30
US61/265,271 2009-11-30
US12/954,292 US8507877B2 (en) 2009-11-25 2010-11-24 Non-linear optical system and techniques
US12/954,292 2010-11-24

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2014253090A Division JP2015072494A (en) 2009-11-25 2014-12-15 Non-linear optical system and techniques

Publications (3)

Publication Number Publication Date
JP2011118385A JP2011118385A (en) 2011-06-16
JP2011118385A5 JP2011118385A5 (en) 2011-07-28
JP5729982B2 true JP5729982B2 (en) 2015-06-03

Family

ID=44283722

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2010262163A Active JP5729982B2 (en) 2009-11-25 2010-11-25 Nonlinear optical system and technology

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5729982B2 (en)

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4175833B2 (en) * 2002-05-23 2008-11-05 オリンパス株式会社 Laser microscope
JP3992591B2 (en) * 2002-11-05 2007-10-17 オリンパス株式会社 Scanning optical microscope
US20060233554A1 (en) * 2005-04-14 2006-10-19 Siddharth Ramachandran Optical fiber systems for delivering short high power pulses
US20070206910A1 (en) * 2006-03-04 2007-09-06 Siddharth Ramachandran Optical fibers and optical fiber devices with total dispersion greater than material dispersion

Also Published As

Publication number Publication date
JP2011118385A (en) 2011-06-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6804636B2 (en) Optical imaging system using vortex fibers for multimode lighting
JP2015072494A (en) Non-linear optical system and techniques
CN103257130B (en) Stimulated radiation loss micro imaging system
CN108303806B (en) Depth imaging super-resolution microscopic imaging system
US9001321B2 (en) Microscope and observation method
JP4898657B2 (en) Continuous spectrum polychromatic light generator
JP5463913B2 (en) Broadband optical amplifier, optical pulse generator, and optical instrument
JP5930220B2 (en) Nonlinear optical microscopy and nonlinear optical microscopy
JP2007504499A (en) Light source having a plurality of microstructured optical elements
JP5309867B2 (en) Nonlinear optical microscope and adjustment method thereof
US20080151238A1 (en) Simultaneous Spatial and Temporal Focusing of Femtosecond Pulses
JP6729878B2 (en) Supercontinuum light generation light source for multiphoton excitation, supercontinuum light generation method for multiphoton excitation, multiphoton excitation fluorescence microscope, and multiphoton excitation method
JP6324709B2 (en) Optical measuring device and optical measuring method
US20180209905A1 (en) Super-resolution microscope
JP7342101B2 (en) Improved scanning optical microscope
JP2017187465A5 (en)
CN105723270A (en) Scanning microscope and acousto-optical main beam splitter for a scanning microscope
Kuang et al. Far-field optical nanoscopy based on continuous wave laser stimulated emission depletion
JP6632531B2 (en) Microscope having member for changing shape of focal point of illumination light
JP5729982B2 (en) Nonlinear optical system and technology
JP5228168B2 (en) Method and apparatus for optical inspection of samples
JP5086765B2 (en) microscope
JP5536908B2 (en) Method for detecting a resonant nonlinear optical signal and apparatus for implementing the method
JP4493302B2 (en) Scanning optical microscope
JP2022518162A (en) Pulse shaping for STED microscopy

Legal Events

Date Code Title Description
A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20110530

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20110530

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20120518

RD04 Notification of resignation of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424

Effective date: 20120710

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20121012

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20121120

A601 Written request for extension of time

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601

Effective date: 20130220

A602 Written permission of extension of time

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A602

Effective date: 20130225

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20130520

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20140206

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20140502

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20140814

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20141215

A911 Transfer to examiner for re-examination before appeal (zenchi)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A911

Effective date: 20141222

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20150310

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20150407

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 5729982

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250