基于单光纤光镊的STED超分辨显微成像装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供的是基于单光纤光镊的STED超分辨显微成像装置。其特征是：它由用于STED成像的激光器101和激光器102、延时单元2、光束生成器3、STED成像显示仪4、用于操控微球透镜的激光器5、光功率控制模块6、反馈控制模块7、对光功率进行调节的计算机8、一个1×6光纤耦合器9、两个1×2宽带光纤耦合器10以及多根单模光纤组成。本发明专利技术基于多芯光纤的中央双包层纤芯中的螺旋光栅，将激光器发出的两束激光分别转化为高斯型激发光和中空环形损耗光，生成的两束激光光斑完全重合，并且损耗光经过延时单元的延时后，这两束激光先后照射到荧光样品上，发生受激发射损耗(STED)，获得小于衍射极限的荧光激发，最终分辨率不受光的衍射所限制，从而打破衍射极限，实现“单点”超分辨显微成像。又通过对微球透镜在二维平面内的精准操控，实现对荧光样品在二维平面上的超分辨显微成像。本发明专利技术的优点在于，提高了现有STED成像器件的灵活性与集成度，使之能够适用于微小尺度的内窥多方位超分辨成像。

【技术实现步骤摘要】
基于单光纤光镊的STED超分辨显微成像装置(一)
本专利技术涉及的是基于单光纤光镊的STED超分辨显微成像装置，主要涉及光子学
，更具体地，涉及一种光纤STED超分辨成像方法与装置。(二)
技术介绍
由于传统荧光显微镜的分辨率存在衍射极限，近十多年来发展一些突破分辨率衍射极限的超分辨成像技术，如受激发射损耗显微(STED)技术、结构光照明显微镜(structuredilluminationmicroscopy,SIM)、光激活定位显微术(PALM)、随机光学重构显微镜(stochasticopticalreconstructionmicroscopy,STORM)等。其中STED是在激光扫描共聚焦荧光显微镜的基础上引入另外一路波长比激发光较长的环形的损耗光。一个聚焦的激光束将荧光团激发到高的能量状态(激发态)，与此同时一个不同波长的环形损耗光斑聚焦叠加到前面的那束光斑上。这样两者的重叠区域激发态的荧光团会被拉低到最低能级(即基态)，只有中心区域的小区域发出荧光信号，受激点扩展函数(PSF)的有效尺寸比衍射极限PSF来的小，达到提高分辨率的目的。这些技术上的进步势必极大地推动生命科学的发展。而这些技术之一、由专利号为US5731588的美国专利公开的受激发射损耗显微镜(StimulatedEmissionDepletion(STED)microscopy)被誉为最有应用前景的方法。它是从物理上打破衍射光学极限的远场荧光显微技术，对传统物理学观点的极大挑战。从1994年STED理论的提出，经过多年的实验后，直到2000年Hell开发了超高分辨率显微技术，通过三维扫描可以得到100nm以下的超高分辨率三维图像。尽管STED显微技术得到了一定的发展，然而到目前为止STED原理和方法还没有得到广泛的应用，具体表现在：(1)现有的脉冲STED测量系统光路复杂，使用的光学元器件多，包括昂贵的脉冲激光器、复杂的电子控制系统等。(2)对系统的稳定性要求非常高，为了保证分辨率，一般工作2-3个小时需要重新校准。实现超分辨STED显微成像的关键是如何形成具有超小尺寸的激发光斑和损耗光斑，而STED显微镜的分辨率主要由有效荧光光斑的大小损耗效果决定的。可以通过各种措施改善STED光在焦平面相干形成的损耗光斑的方式来改善STED的照明装置的稳定性。STED显微成像技术多种多样。例如，中国专利CN211817464U提出了基于切向偏振的超分辨荧光显微装置，虽然获得良好的显微照明效果，但是实现这一效果需要复杂的光路、昂贵的精密仪器，且稳定性也不是很高。中国专利CN103617330A提出了基于超连续产生的宽带激光光源激发的超分辨STED显微成像装置，虽然改进了两激光同步调节的功能，实现良好的显微照明，但整体光路复杂。中国专利CN211910469073.3提出了一种全光纤型超分辨成像方法与装置，该装置利用光涡旋光纤和光栅型光纤光涡旋转换器来得到光涡旋损耗光，实现超分辨成像。中国专利CN109752830A提出了一种全光纤STED超分辨显微照明装置，该装置中光束生成器的高度集成化，使得设备比较灵活稳定，实现了“单点”的全光纤STED超分辨显微照明。光纤STED系统中，激发光与光涡旋损耗光，在同一根光纤中传输，激发光与损耗光是自然对准的，因此不需要额外的严格对准过程，可以提升系统稳定性，并降低成本。此外，由于光纤具有尺寸小、易弯折的特性，光纤STED还可以用来实现活体内窥超分辨成像，因此研究光纤STED具有十分重要的科学意义和应用前景。与在先技术相比，本专利技术提出了一种基于单光纤光镊的STED超分辨显微成像装置。该装置主要仅依靠一段多芯光纤就可实现高斯形激发光和中空环形损耗光的生成，得到荧光样品“单点”的超分辨显微成像，并且利用外侧多芯汇聚光束捕获的微球透镜进行二微平面扫描，获得一幅二维超分辨图像。当前的光纤STED内窥系统采用的微球透镜尺寸(毫米量级)仍然比较大，无法深入一些生物组织器官内部实现微米空隙下的内窥成像。因此，研究更加小型化、集成化的光纤型STED超分辨成像具有十分重要的意义。(三)
技术实现思路
针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种基于单光纤光镊的STED超分辨显微成像装置。该装置主要仅依靠一段多芯光纤就可实现高斯形激发光和中空环形损耗光的生成，得到荧光样品上“单点”的超分辨显微成像，并且利用外侧多芯汇聚光束捕获的微球透镜进行二维平面扫描，获得一幅二维超分辨图像。从而降低了成本和提升了装置的稳定性，使整个装置更加微型化和集成化。本专利技术的目的是这样实现的：该STED超分辨显微成像装置是由用于STED成像的激光器、延时单元、光束生成器、STED成像显示仪、用于操控微球透镜的激光器、光功率控制模块、反馈控制模块、对光功率进行调节的计算机、一个1×6光纤耦合器、两个1×2宽带光纤耦合器以及以及多根单模光纤组成。所述器件中光束生成器3主要由多芯光纤连接器11、多芯光纤12、多芯光纤圆锥台纤端13和可在纤端上自由滑动的微球透镜14构成，该多芯光纤12由中央双包层纤芯1201、螺旋光栅1202、外侧多芯1203、外包层1204组成。激光器5输出的捕获光22通过多芯光纤连接器11输入到多芯光纤12的多个外侧纤芯1203中，然后捕获光22被锥体圆台纤端13汇聚后形成纤端聚焦光束23，该光束稳定地三维捕获住微球透镜14。激光器101和激光器102可分别发射“激发光”15和“损耗光”16。一方面，“激发光”15注入到多芯光纤12后被限制在中央双包层纤芯1201中传输，由于“激发光”15不会被螺旋光栅1202调制，因此直接从光纤端输出后被微球透镜14聚焦形成强聚焦激发光17，最后作用到荧光样品20表面使其发出荧光18；另一方面，“损耗光”16经过延时单元2延时Δτ时间后，注入到多芯光纤12的中央双包层纤芯1201后被螺旋光栅1202所调制，激发产生高阶涡旋模式并在光纤末端输出后被微球透镜14聚焦形成强聚焦中空环形损耗光19，然后到达荧光样品20表面。由于荧光18和强聚焦中空环形损耗光19的光斑中心完全重合，使得大部分处于荧光18光斑外围部分的荧光物质通过光学非线性作用被强行回到基态抑制其发荧光，随着强聚焦中空环形损耗光19的光强不断增加，能荧光的光斑越来越小，最终分辨率不再受光的衍射所限制，从而打破衍射极限，形成超分辨荧光成像信号21，同时被微球透镜14收集到中央双包层纤芯1201中，最后超分辨荧光成像信号21经过一个1×2宽带光纤耦合器10后被STED成像显示仪4收集，实现“单点”超分辨显微成像。由于可以通过光功率控制模块6独立控制每个外侧纤芯1203传输捕获光22的功率，当注入到每个外侧纤芯的光功率相同时，光束经过圆锥台全反射并折射后形成的聚焦光束23能够精准捕获处于纤端中心的微球透镜14，此时在STED成像显示仪4上显示的是荧光样品中“单点”的成像信息；当利用光功率控制模块6对光功率进行有预期的改变时，从而对出射纤端聚焦光束23的空间分布实施调控，实现对微球透镜14的捕获点的空间位置的调节，最终实现微本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于单光纤光镊的STED超分辨显微成像装置。其特征是：它由用于STED成像的激光器101和激光器102、延时单元2、光束生成器3、STED成像显示仪4、用于操控微球透镜的激光器5、光功率控制模块6、反馈控制模块7、对光功率进行调节的计算机8、一个1×6光纤耦合器9、两个1×2宽带光纤耦合器10以及以及多根单模光纤组成。所述器件中光束生成器3主要由多芯光纤连接器11、多芯光纤12、多芯光纤圆锥台纤端13和可在纤端上自由滑动的微球透镜14构成，该多芯光纤12由中央双包层纤芯1201、螺旋光栅1202、外侧多芯1203、外包层1204组成。激光器5输出的捕获光22通过多芯光纤连接器11输入到多芯光纤12的多个外侧纤芯1203中，然后捕获光22被锥体圆台纤端13汇聚后形成纤端聚焦光束23，该光束稳定地三维捕获住微球透镜14。激光器101和激光器102可分别发射“激发光”15和“损耗光”16。一方面，“激发光”15注入到多芯光纤12后被限制在中央双包层纤芯1201中传输，由于“激发光”15不会被螺旋光栅1202调制，因此直接从光纤端输出后被微球透镜14聚焦形成强聚焦激发光17，最后作用到荧光样品20表面使其发出荧光18；另一方面，“损耗光”16经过延时单元2延时Δτ时间后，注入到多芯光纤12的中央双包层纤芯1201后被螺旋光栅1202所调制，激发产生高阶涡旋模式并在光纤末端输出后被微球透镜14聚焦形成强聚焦中空环形损耗光19，然后到达荧光样品20表面。由于荧光18和强聚焦中空环形损耗光19的光斑中心完全重合，使得大部分处于荧光18光斑外围部分的荧光物质通过光学非线性作用被强行回到基态抑制其发荧光，随着强聚焦中空环形损耗光19的光强不断增加，能荧光的光斑越来越小，最终分辨率不再受光的衍射所限制，从而打破衍射极限，形成超分辨荧光成像信号21，同时被微球透镜14收集到中央双包层纤芯1201中，最后超分辨荧光成像信号21经过一个1×2宽带光纤耦合器10后被STED成像显示仪4收集，实现“单点”超分辨显微成像。由于可以通过光功率控制模块6独立控制每个外侧纤芯1203传输捕获光22的功率，从而对出射纤端聚焦光束23的空间分布实施调控，实现对微球透镜14的捕获点的空间位置的调节，最终实现微球透镜14在光纤端面上的二维移动24。通过微球透镜14的这种二维扫描移动24就可实现对强聚焦激发光17和强聚焦中空环形损耗光19的传输方向Z的改变，最终在荧光样品整个探测区域上实现面扫描，获得“平面”超分辨荧光成像信号。/n...

【技术特征摘要】
1.基于单光纤光镊的STED超分辨显微成像装置。其特征是：它由用于STED成像的激光器101和激光器102、延时单元2、光束生成器3、STED成像显示仪4、用于操控微球透镜的激光器5、光功率控制模块6、反馈控制模块7、对光功率进行调节的计算机8、一个1×6光纤耦合器9、两个1×2宽带光纤耦合器10以及以及多根单模光纤组成。所述器件中光束生成器3主要由多芯光纤连接器11、多芯光纤12、多芯光纤圆锥台纤端13和可在纤端上自由滑动的微球透镜14构成，该多芯光纤12由中央双包层纤芯1201、螺旋光栅1202、外侧多芯1203、外包层1204组成。激光器5输出的捕获光22通过多芯光纤连接器11输入到多芯光纤12的多个外侧纤芯1203中，然后捕获光22被锥体圆台纤端13汇聚后形成纤端聚焦光束23，该光束稳定地三维捕获住微球透镜14。激光器101和激光器102可分别发射“激发光”15和“损耗光”16。一方面，“激发光”15注入到多芯光纤12后被限制在中央双包层纤芯1201中传输，由于“激发光”15不会被螺旋光栅1202调制，因此直接从光纤端输出后被微球透镜14聚焦形成强聚焦激发光17，最后作用到荧光样品20表面使其发出荧光18；另一方面，“损耗光”16经过延时单元2延时Δτ时间后，注入到多芯光纤12的中央双包层纤芯1201后被螺旋光栅1202所调制，激发产生高阶涡旋模式并在光纤末端输出后被微球透镜14聚焦形成强聚焦中空环形损耗光19，然后到达荧光样品20表面。由于荧光18和强聚焦中空环形损耗光19的光斑中心完全重合，使得大部分处于荧光18光斑外围部分的荧光物质通过光学非线性作用被强行回到基态抑制其发荧光，随着强聚焦中空环形损耗光19的光强不断增加，能荧光的光斑越来越小，最终分辨率不再受光的衍射所限制，从而打破衍射极限，形成超分辨荧光成像信号21，同时被微球透镜14收集到中央双包层纤芯1201中，最后超分辨荧光成像信号21经过一个1×2宽带光纤耦合器10后被STED成像显示仪4收集，实现“单点”超分辨显微成像。由于可以通过光功率控制模块6独立控制每个外侧纤芯1203传输捕获光22的功率，从而对出射纤端聚焦光束23的空间分布实施调控，实现对微球透镜14的捕获点的空间位置的调节，最终实现微球透镜14在光纤端面上的二维移动24。通过微球透镜14的这种二维扫描移动24就可实现对强聚焦激发光17和强聚焦中空环形损耗光...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓洪昌，王瑞，苑立波，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：广西;45