一种基于涡旋光的全光纤sted显微镜

1.本发明涉及的是一种基于涡旋光的全光纤sted显微镜，可用于超分辨率显微照明和成像系统，属于生物学和医学领域。


背景技术：

2.随着现代生物科学和医疗科学的发展，研究者对微观结构观测提出了越来越高的要求，传统的光学显微镜受限于衍射极限无法分辨半波长尺度下的物质结构，在这种需求下赫尔于1994年提出了受激发射损耗(sted)显微成像技术，该技术的核心是在荧光物质在受光照产生荧光激发时，在激发光束外围叠加一个不同波长的环形光束(被称为sted光束，损耗光束)，该环形光束可以迫使其照射范围内的荧光染料原子做受激辐射，从而无法发出正常的荧光信号，而环形光束中央的暗区仍能正常发出荧光，该技术极大地缩小了显微镜的最小分辨尺寸，并且不受衍射效应限制，即在理论上暗心区域可以被调节至无限小，使其称为一项非常有应用潜力的显微技术。
3.目前市场上大部分sted显微技术均基于空间光调制器来产生环形的sted 光束和使激发光束与sted光束保持同轴匹配。这种空间光式的实验方案是相当复杂的，实验前往往需要长时间地进行系统校正，并且实验中的干扰因素诸如，震动、温度变化等因素都会引起空间光路的响应进一步影响sted显微镜中环形光斑的位置和形状，这些因素都会导致整个sted系统的性能下降。正是因为传统的sted 显微镜面临此类问题，基于光纤的sted显微镜应运而生，基于光纤的sted系统可大大简化系统的复杂度，提高系统的灵活性和稳定性，但同时如何在光纤中实现环形光束称为了主要问题。
4.光子灯笼是近十几年兴起的一种波导器件，能实现单模光纤与多模光纤之间模式低损耗耦合功能，是一种理想的光纤通信模分复用器件。光子灯笼连接单个多模波导与多个单模波导，一般通过低折射率毛细套管约束多根异质单模光纤熔融拉锥制备。光子灯笼是一种互易性器件，它既能实现将光纤的基模转换至特定高阶模式的模式复用器功能，也能实现将高阶模式解调并耦合至对应单模端口。
5.公布号为cn109752830b的专利提出了一种基于光纤的sted超分辨率显微照明装置，该发明使用空间光激发双包层光纤中光纤内包层的高阶模式，形成了环形光束，但其无法指定激发模式，仍需精细调节以实现环形光束。
6.公布号为cn111653380a的专利提出了一种基于单光纤的sted超分辨率显微成像装置。该发明使用螺旋光纤使得损耗光耦合至光纤涡旋模式，形成环形的输出光场而不影响激发光的出射状态。
7.公布号为cn111653378a的专利提出了一种基于多光纤光镊的sted超分辨率显微成像装置。该专利提出的方法是通过螺旋光纤将损耗光转换为光纤高阶涡旋模式，同时分布于待测粒子周围的多根单模光纤，又能利用光镊作用调节粒子的运动位置实现了一种高精度的sted显微镜。
8.本发明提出了一种基于涡旋光的全光纤sted显微镜。该器件利用异质多芯光纤制
备成的涡旋光子灯笼，将单模输入端入射的损耗光转换为光纤涡旋模式，使其形成的环形输出场，同时低模间串扰光纤的引入可以极大方便扩展扫描范围，配合输入端的光衰减和相位调制器则可抵消光纤扰动带来的环形模式破坏，保证了输出端的环形涡旋光的纯度。同时，物质的荧光能被少模光纤接收，返回至单模输出端口，本器件实现了sted显微镜输入和输出端的集成，并且使用控制器抵消了光纤弯曲等效应对涡旋模式的干扰，是一种具有巨大潜力的新型光纤sted显微器件。


技术实现要素：

9.本发明的目的在于提供一种基于涡旋光的全光纤sted显微镜。
10.本发明的目的是这样实现的：
11.它由输入输出光纤1、1x2耦合器2、光衰减和相位调制器3、双包层过渡光纤4、多孔毛细管5、扇入扇出拉锥区6、异质多芯光纤7、低折射率套管8、模式转换拉锥区9、输出少模光纤10、低模间串扰光纤11、光纤聚焦透镜12和待测荧光物质13组成。所述系统中输入输出光纤1输入两种光波，一个是激发光，另一个是损耗光；激发光由光纤端口1-2输入，经过双包层过渡光纤4和多孔毛细管5插孔拉锥制备的扇入扇出拉锥区6，使激发光耦合至异质多芯光纤7 中的某一纤芯，再经低折射率套管3和异质多芯光纤7组合拉锥成的模式转换拉锥区9，该激发光形成输出少模光纤10中的基模，再经低模间串扰光纤11传输至光纤聚焦透镜12，最后投射在待测荧光物质13表面，其光斑为高斯型；损耗光由光纤端口1-3或1-4输入，光波经1x2耦合器2被分成功率相等的两束，分别通过耦合器输出端接入后端双包层过渡光纤4，每一路中都有光衰减和相位调制器3用来控制光功率和相位，这两路光波通过扇入扇出拉锥区6被转换为异质多芯光纤中两个相同纤芯的导行基模，这组基模再由模式转换拉锥区9被转换为涡旋模式，经低模间串扰光纤11和光纤聚焦透镜12投射在待测荧光物质13表面，其光斑为环形；该损耗光的环形光斑抑制物质的荧光激发，而激发光的高斯光斑促进物质的荧光激发，环形光斑和高斯光斑重合的中央会形成一个小型的荧光激发区域，该区域产生的荧光同样会被光纤端接收，被光纤接收到的能量会反向通过整个器件，最终由输出端口输出至接收器。
12.下面将详细阐述环形光斑的涡旋光形成机理、光损耗和相位调制器对受弯曲影响的涡旋模式的补偿作用和荧光通过少模光纤反向传输至输出端口的原理。
13.实现单模高斯光束至涡旋光束转换的关键在于模式转换拉锥区的设计，该区域可以将输入涡旋光束中载有不同阶轨道角动量的光波进行分离，并且分别转换至各输出信道中，各个阶数的轨道角动量光束和各输出信道中的高斯光束一一对应。
14.少模光纤的本征模式为矢量模式或标量模式，而光纤中的涡旋模式可以由矢量模式或标量模式组合而来，下式是涡旋模式与光纤各阶模式之间的表达式，
15.公式中oam代表光纤中带有轨道角动量的高阶涡旋光束模式，模式的拓扑荷数和阶数由表达式的第一下标确定，第二下标代表了模式径向的波节数量，模式上标代表了其
偏振态。公式右端的he、eh、te、tm均为光纤的矢量模式，其上标even和odd代表了模式的对称性，下标定义与涡旋模式相同。公式中的虚数符号i代表了模式之间存在π/2的相位差值。该表达式说明光纤中的矢量模式与涡旋模式是可互相转换的。
16.模式转换拉锥区前端的异质多芯光纤含有多个不同的纤芯，单个纤芯的导模均为高斯基模，但在本发明专利的中，我们需要整体考虑多芯光纤的超模特征。在本异质多芯光纤中最多有两个纤芯具有相同的结构参数，他们的基模之间产生相互耦合形成了一种能量分布于两个纤芯的超模，其能量分布仍为基模高斯形状，但两个相同纤芯中的波前相位则有所区别，如果两个纤芯中基模相位相同，我们称之为对称超模，而相位相差π的另一个超模，我们称之为反对称超模。对称超模和反对称超模呈近简并状态，其有效折射率非常接近。如果同时存在功率相等的对称超模和反对称超模，两者间的相位将决定多芯光纤中的光场分布，如果两者的相位相同或相位差为π则分别激发其中某一芯的高斯基模，并可以由扇入扇出器件导出至单根单模光纤，如果两者的相位差不是0或者π，则多芯光纤中两个纤芯均会产生功率不等高斯基模，无法经扇入扇出器输出至同一根单模光纤中。
17.利用光子灯笼可以将异质多芯光纤中的超模转换为光纤输出端标量模式，其中对称超模可转换为光纤的lp11a或lp21a模式(对应不同端口)，反对称超模则转换为lp11b或lp21b模式，在转换的过程中会产生相位差值。当该相位差值达到π/2时光子灯笼的输出结果即为涡旋模式。
18.另外模式转换的基本原理为缓变结构中的绝热变换，即在一个形状参数和折射率剖面缓慢变化的光波导中，入射端的某个模式能无损地转换至输出端的某个同阶模式。整个拉锥区满足绝热耦合条件，如下所示公式中的符号下标j和l分别代表导行基模和其他模式，β为局域模式的传输常数，ψ为局域模式的归一化电磁场分布，k＝2π/λ为电磁波的波数，z为拉锥结构的轴向坐标，ρ为包层的收缩率，n为锥区的折射率分布函数，a为拉锥结构的横截面。该公式定义了一个与拉锥长度和形状表达式ρ(z)相关的判断条件，它可以衡量模式转换拉锥区的理论性能。
19.除绝热转换条件外，在模式转换拉锥区中模式之间的相位关系也决定了涡旋光至高斯光束的转化效率。将异质多芯光纤插入低折射率套管中，并将其拉锥整个过程中输入模式至输出模式的转化过程由局域耦合模方程决定。在此过程中，单个输入涡旋光束可分解为矢量模式的even分量和具有π/2相位差值的odd 模式。这两个模式在锥区的演化过程和结果略有不同，一般来说光纤的even模式可演化至异质多芯光纤端的对称超模，而光纤的odd模式可演化至异质多芯光纤的反对称超模。如果两种演化后的超模之间存在非0或非π相位差，则会同时激发两个纤芯中的高斯基模，无法构成涡旋光束与单个纤芯中高斯基模的一一对应关系。
20.模式转换拉锥区中模式演化所带来的模式相位变换主要分两部分，一部分称为动力学相位，它由锥区中各剖面本征模式的传播常数沿着拉锥长度和形状表达式ρ(z)积分结果确定。另一部分相位则可以被称为几何相位，它由拉锥区中各模式的能量分布演化过程决定，而与锥区的拉锥长度无关。通过计算几何相位和动力学相位，我们可以获得模式转换
拉锥区的最优长度和形状，以实现输入odd 模式和even模式之间累计相位差为π/2，这样与组成涡旋光束的odd模式和even 模式的初始相位差叠加，获得0或π相位差，这样由输入端注入的光波能通过扇入扇出过渡区和模式转换拉锥区，形成可在少模光纤中稳定传输的涡旋光波。
21.众所周知，涡旋光波是无法在光纤中长距离传输和保持的，这是因为光纤的弯曲、扭转、应力变形等均会导致组成涡旋光的矢量模式退简并，即其传播常数分离无法保持稳定的相位差值，最终导致模式能量分瓣，无法实现环形光束输出。但是如果在这个过程中，简并的矢量模式能量并未发生巨大的损耗，如果能从光源端补偿这种相位差值，则可在输出端实现涡旋输出。本发明在光纤输入端设计了光损耗和相位调制器，通过驱动器进行控制，当侦测到输出损耗光的环形光斑发生了分瓣现象，即可通过输入光纤的能量和相位控制，补偿该段光纤中不同模式的相位移动，实现环形涡旋光输出。
22.本发明专利使用的低模间串扰光纤，在弯曲和扭转时，仅会发生简并模式间的能量耦合，不会发生模间串扰，即涡旋模式的能量不会耦合至光纤基模，对激发光束没有影响。
23.对荧光的收集也是本发明专利的重要创新点，待测荧光物质发出的荧光较为微弱，一般的收集方法为使用高数值孔径的物镜收集，本发明专利利用了成像光纤收集散射光波，通过反向通过整个器件输出至某单模端口。其中散射光波耦合至少模光纤的lp02模式的分量，可反向通过器件，经由模式转换拉锥区和扇入扇出过渡区输出至单模输出端口1-1，反馈光波中的激发光和损耗光分量可由滤光片去除。
24.所述的异质多芯光纤的部分纤芯的折射率、直径或折射率剖面类型不同，纤芯数量为n，n为整数，n≥3。其中具有简并的涡旋模式的所对应的纤芯参数相同，如oam＝
±
1模式所对应的两个纤芯参数相同，无模式简并的模式所对应纤芯是独特的，如输出端的lp01或lp02模式对应的纤芯参数。
25.所述的异质多芯光纤中纤芯的折射率剖面是阶跃型、抛物线型、高斯型。
26.所述的模式转换拉锥区由特殊结构的异质多芯光纤插入低折射率套管中拉锥制成，其拉锥结构满足绝热转换和涡旋相位匹配条件，可以将单个涡旋模式能量转换至异质多芯光纤中一个纤芯的导模中，并且两者具有对应关系。
27.所述的少模光纤是少模光纤、环形芯光纤或螺旋少模光纤，其特点是可传导涡旋模式的光纤。
28.所述的异质多芯光纤的包层结构是单包层或者双包层，在模式转换拉锥区末端收缩后的内包层边界形成的光纤结构与后端输出少模光纤实现模场面积与数值孔径的匹配。
29.所述的异质多芯光纤中纤芯之间存在气孔、小芯径纤芯结构，目的是控制其对称超模与反对称超模在模式转化拉锥区中的相位差值。超模之间的相位差值与纤芯的端面结构有着显著的关系，如果更改纤芯距离、增加纤芯气孔或增加辅助纤芯可使得超模间在锥区的演化不同，其相位差值也不同。
30.所述的少模光纤是单芯少模或多芯少模光纤，当其为多芯少模光纤时，前端所匹配的模式转换拉锥区、扇入扇出拉锥区、输入输出光纤均使用多份，构成一种阵列型sted显微镜。
31.所述的光纤聚焦透镜是球型透镜、光纤端菲涅尔透镜或光纤磨锥透镜，具有聚焦
功能的透镜。
32.与传统的光纤束形式的光子灯笼相比，基于异质多芯光纤的涡旋光子灯笼增加了集成度和器件的稳定性，使得多芯少模涡旋光子灯笼成为可能。否则以七芯六模为例，共计需要将42根不同单模光纤插入低折射率掺氟管中，并且要控制其相位差值，这显然是不可能的，只有使用多根异质多芯光纤并配合扇入扇出器件，才能实现一次拉锥多个光子灯笼的涡旋光波输出。
33.与其他类型的光纤sted显微镜相比，本发明提供了一种可自由活动的低模间串扰光纤，该光纤在使用时可以移动、弯曲、扭转，缩小了成像镜头的尺寸，拓展了器件的使用范围，为更大尺度显微成像提供了可能。
34.本发明提出了一种基于涡旋光的全光纤sted显微镜。该器件利用异质多芯光纤制备成的涡旋光子灯笼，将单模输入端入射的损耗光转换为光纤涡旋模式，使其形成环形输出场，同时低模间串扰光纤的引入可以极大方便扩展扫描范围，配合输入端的光衰减和相位调制器则可抵消光纤弯曲带来的环形模式破坏，保证了输出端的环形涡旋光的纯度。同时，物质的荧光能被少模光纤接收，返回至单模输出端口，本器件实现了sted显微镜输入和输出端的集成，并且使用控制器抵消了光纤弯曲等效应对涡旋模式的干扰，是一种具有巨大潜力的新型光纤sted显微器件。
附图说明
35.图1是一种基于涡旋光的全光纤sted显微镜的整体结构图。它由输入输出光纤1、1x2耦合器2、光衰减和相位调制器3、双包层过渡光纤4、多孔毛细管5、扇入扇出拉锥区6、异质多芯光纤7、低折射率套管8、模式转换拉锥区9、输出少模光纤10、低模间串扰光纤11、和待测荧光物质12和组成。图中标注了光衰减和相位调制器的驱动器14、单模输出端口1-1、激发光输入端口1-2、损耗光输入端口1-3和1-4组成。使用两个损耗光端口的原因是为了同时利用 oam＝1的涡旋光束和oam＝2的涡旋光束。
36.图2是一种基于涡旋光子灯笼的全光纤sted显微镜中模式转换拉锥区和扇入扇出过渡区的剖面示意图。
37.图3是本发明使用的异质多芯光纤端面示意图，(a)异质六芯光纤、(b) 异质三芯光纤、(c)双包层异质六芯光纤(d)双包层异质三芯光纤、(e)双包层异质五芯光纤、(f)双包层异质十芯光纤。其中，图(e)光纤截面的中央是包层或气孔。
38.图4是单个纤芯的高斯基模和异质多芯光纤超模叠加转换示意图。由图可以知，异质多芯光纤中两相同纤芯中的单个高斯基模可以由对称超模(两纤芯相位相同)和反对称超模(两纤芯相位相反)组成。如图所示，当两超模直接混叠时，等效为某一纤芯的高斯基模；当反对称超模经过180度相移后，两超模的混叠等效为另一相同纤芯中的高斯基模。
39.图5是模式转换拉锥区中各剖面的本征模式的传播常数图。其曲线由上至下，分别为0阶涡旋光对应的模式，
±
1阶涡旋相关的对称超模，
±
1阶涡旋相关的反对称超模，
±
2阶涡旋相关的对称超模，
±
2阶涡旋相关的反对称超模， 0阶涡旋光束的径向1阶光束对应的模式。
40.图6是模式转换拉锥区中各阶涡旋光束演化过程图。拉锥区左端的异质多芯光纤中各纤芯的高斯导模逐步演化为右端的各阶涡旋模式，该过程是互易的。图右端为各阶涡
旋光束的模场分布和相位分布。
41.图7是一种基于涡旋光的全光纤sted显微镜中模式转换拉锥区的转换效率和噪声结果图。竖列的图片为少模光纤中标准的涡旋模式，横行的图片为单模光纤注入后涡旋光子灯笼输出的图样，图中的数据为两组模式间的积分结果。图中的对角线上的数据代表了涡旋模式在模式转换拉锥区中的损耗，非对角线上的数据代表了涡旋模式在模式转换拉锥区中的信号串扰。输出涡旋模式的纯度均大于95％。图中的数据单位为db。
42.图8是聚焦后的涡旋光束在传播方向上的能量场仿真图和聚焦平面上的环形光束仿真图，聚焦平面上的中央暗孔半径很小，尺度小于衍射极限。
具体实施方式
43.下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。
44.实施例1：一种基于涡旋光的全光纤sted显微镜的设计。
45.其中少模光纤使用芯径为18.5um，数值孔径为0.12的六模光纤。其可以容纳轨道角动量为
±
2，
±
1，0的多种涡旋光束。异质多芯光纤的纤芯数量为 6，各纤芯的芯径为11um，9um，9um，8um，8um，6.5um，典型的芯间距为 40um。包层折射率为1.444，纤芯包层数值孔径为0.12。低折射率套管的折射率为1.4398，该套管内径等于异质多芯光纤的外径，为125um。
46.将异质多芯光纤插入低折射率套管中进行绝热拉锥，即可获得模式转换拉锥区。拉锥的形状和长度可由仿真确定。调节锥区的长度或形状，并针对不同阶数的涡旋光束，针对性的设计芯间气孔、调节芯间距、插入小型纤芯、调节纤芯距离中央的距离，即可使得轨道角动量为
±
2，
±
1，0的涡旋光束同时具有 (n 0.5)π的相位移动，使得单个纤芯中的高斯光束与输出涡旋态之间建立一一对应的关系，该关系图如图7所示。典型的锥长为4.2cm，锥形为线性锥。
47.扇入扇出过渡区由双包层过渡光纤插入多孔毛细管中拉锥制备得到。
48.由端口1-3和1-4注入符合荧光物质受激辐射损耗的对应波长的光波，经过扇入扇出过渡区，传入异质多芯光纤的相应纤芯中，再经过模式转换拉锥区将该光波转换为环形涡旋模式，输出至少模光中，经低模间串扰光纤输出至光纤聚焦透镜，将聚焦后的损耗光透射在待测荧光物质表面。此时形成了如图8的中央暗边缘亮的环形损耗光束。当后端低模间串扰光纤因为弯曲导致涡旋模式分裂为光纤标量模式时，环形光场被破坏时，可调节光衰减和相位调制器补偿变化量，使其仍输出涡旋光场。
49.由端口1-2注入符合荧光物质激发波长的激发光，经过扇入扇出过渡区，传入异质多芯光纤的相应纤芯中，再经过模式转换拉锥区将该光波转换为少模光纤中的高斯基模，经低模间串扰光纤输出至光纤聚焦透镜，将聚焦后的激发光透射在待测荧光物质表面，损耗光抑制了环形区的荧光激发故仅有中央暗区能激发物质的荧光，该区域尺度小于波长，可实现超分辨率成像。
50.由荧光待测物质发出的荧光，入射至少模光纤，其中属于lp02模式的光波可以反向穿过器件，由模式转换拉锥区和扇入扇出区输出至1-1端口，再利用滤光片等手段可以去除激发光和损耗光的干扰，实现超分辨率成像。