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光转化系统及方法
    【技术领域】

    本发明涉及光转化系统及方法，尤其是涉及将多个低成本激光或发光二极管光源发出的低品质光转化为高品质的单模/准单模光源的系统及方法，例如可以供限制衍射的共焦显微成像系统使用的单模/转单模光源。

    背景技术

    使用激光成像仪器研究生物学过程和生物学功能越来越普遍。这些仪器测试和观察靶细胞经短波长激光光源或紫外线光源激发或照射后发出的荧光信号。这些技术主要应用于，但不限于：荧光成像、扫描显微、共焦显微、全内反射荧光显微、荧光关联谱、流式细胞仪、图像细胞仪、小动物或分子成像、高内涵筛选和细胞成像。成像仪器并不仅仅使用荧光。如果宽带荧光光谱不能区分不同的生物细胞、生物组织或脱氧核糖核酸分子，共焦显微镜可以使用特定短波长的激光束激发来观测它们成像的差别。

    许多成像仪器使用氩离子激光源。尽管氩离子激光源有光束质量高和稳定的优点，对于生物学研究人员而言，这些光源具有以下缺点：成本高、使用寿命短、会产生热量、体积大、需经常保修、有噪音和空气冷却系统的振动。特别地，氩激光波长(488nm/514nm)经常不能很好地激发许多深蓝色荧光材料。固体激光系统(二极管抽运固体激光器和倍频激光器)现在被应用于共焦成像中，但这些系统要么费用昂贵，要么强度显著的起伏且主要集中在绿光波段中。成像仪器在应用上的多样性和综合性，导致人们对激光源性质的要求不断提高，如希望其波长的范围能尽可能广，同时能提高组合的激光源的灵活性、可控制性、可重复性、可靠性和精密度。

    共焦显微镜通常应用于需要亚微米分辨率的成像系统，其用于识别不同的生物细胞、生物组织或脱氧核糖核酸分子。为了获得这样一种亚微米图像，共焦显微镜需要高度校准的单一波长光束。当使用氩离子光源时，通过自由空间光学或纤维光学获得高度校准光束是很容易的。例如，反射镜、透镜和空间滤波器都能用于自由空间光耦合或者光纤、物镜及光束扩展器也能为共焦显微系统成像提供校准光束。

    然而，为了提高图像质量和景深，需要为共焦显微器配备多波长光源。不同波长的焦点位置使得图像能够在不同景深下得到观测。成像光源，如激光二极管和发光二极管产生的光分布在较宽的波长区间，包括但不限于：375纳米，405纳米，488纳米，514纳米，532纳米，632纳米和670纳米。自由空间光学可用来耦合一些线偏振光束，然后输出一种光束，但是其适用的激光源的数量是有限的，原因在于功率会耗损且可供选择的二向色滤光片有限。

    另一方面，为了能清楚识别某些似是而非的生物细胞、生物组织或脱氧核糖核酸分子，也希望同时或单独使用多个波长的光源。比如说，一个生物细胞或生物组织可能有几个蛋白质。一种标记蛋白质可能不能在某特定的短波显示清楚的图像，但它可能被其它短波长光束激发识别。有时候，一种光源能够激活多个标记蛋白质荧光，但是不同的蛋白质可能会在不同的光束激发下显示其它附加的信号。不同的激发光束组合在一起，可能会有效地将感兴趣的蛋白质与其它蛋白质区分。这样一种多蛋白质成像分析方法需要一种能够提供不连续激发波长的光源。对于大多数生物细胞、生物组织或脱氧核糖核酸分子成像分析来说，短波光源的大致范围应该包括但不限于：375纳米，405纳米，488纳米，514纳米，532纳米，632纳米和670纳米。

    通常，自由空间光学用来将几个激光源耦合成为一个校准光束，其中，每一激光束都应被校准，而且其发散性和不稳定性应被忽略。然而，使用自由空间耦合二极管激光器或发光二极管的光源是很困难的，原因在于椭圆形的射束形状和高发散性。另外的局限也包括低功耗的耦合和极少的二向色滤光片的选择。

    为电信行业开发的基于光纤的光波分复用技术，已经显示出了它在多激光源耦合和对单模光束质量控制上的优点。然而，从电信行业发展而来的这种光耦合技术主要是用于小于1.55微米的近红外线波耦合。虽然通过光合路器能够将不同的紫外光和可见激光波耦合进入一个光纤，但是输出的光是多模的，这对于亚微米限制衍射的共焦显微镜的成像应用来说是不希望见到的。

    为了满足单模光传播条件，人们希望耦合不同激光二极管或发光二极管光源。对于一个特定的光纤，它既可以允许单模也可以允许多模的光传播。要想获得高度校准光束，共焦显微系统需要所有的光源仅输出单模光。目前，还没有实用的可以把几个激光或发光二极管发出的(特别是375纳米至785纳米之间的)多个紫外光和可见光耦合后输出单模光的方法。其中的一个难题在于光纤的直径或数值孔径可以使一种或几种波长的光输出单模光或准单模光而对于其他波长的光却输出多模光。

    因此，人们需要一种有效、实用的方法来为成像仪器提供多波长、高质量、单模/准单模光源。

    【发明内容】

    本发明的目的是提供将多模光源转化为单模或准单模光源的系统，方法，及使用前述系统和/或方法的成像仪器。

    本发明所涉及的系统将多个具有不同波长的多模光源转化为单模或准单模光源，其包括模限制器，剥除一个或多个高次传播模并将多模光源转化为单模或准单模光源的光转化器；以及位于多个多模光源与模限制器之间的光结合器。

    另一方面，本发明涉及的方法将多个具有不同波长的多模光源转化为单模或准单模光源，其包括的步骤有：提供模限制器和剥除一个或多个高次传播模并将多模光源转化为单模或准单模光源的光转化器；以及提供位于多个多模光源与模限制器之间的光结合器。

    另一方面，本发明涉及的成像仪器用从多个具有不同波长的多模光源转化而来的校准单模或准单模光源照射样本，其包括：模限制器，剥除一个或多个高次传播模并将多模光源转化为单模或准单模光源的光转化器；提供位于多个多模光源与模限制器之间的光结合器；具有一个或多个光控制组件的成像装置，以及光转化器与光控制组件间的连接器。

    【附图说明】

    结合详细说明并参照附图可以更好地理解本发明的特色，组成以及优点，附图中相同元件用相同标号表示，在附图中：

    图1是光纤波导中光传播的示意图；

    图2所示为纤芯直径为3.5微米，数值孔径为0.10的光纤传播单模和准单模的条件的示意图；

    图3所示为数值孔径固定为0.10的情况下，纤芯直径从2.5微米到4.0微米的光纤的单模和准单模传播的示意图；

    图4为两个耦合光纤纤芯直径与数值孔径不匹配引起的光传输损失的示意图；

    图5所示为本发明第一实施例系统的示意图；

    图6所示为模限制器的示意图；

    图7所示为本发明第二实施例系统的示意图；

    图8所示为本发明第三实施例系统的示意图；

    图9所示为本发明第四实施例系统的示意图；

    图10所示为本发明第五实施例系统的示意图；

    图11所示为本发明第六实施例系统的示意图；

    图12是图11中圆圈A处的局部放大剖视图；

    图13是本发明系统减小数值孔径的模拟示意图；

    图14是本发明成像仪器的示意图；

    图15是具有/不具有鲍威尔透镜的光束分析装置的示意图；

    图16所示为从532纳米红绿蓝激光模组发出的单模光的演示；

    图17所示为从473纳米和532纳米激光模组耦合而来的单模光的演示；

    图18所示为从473纳米，532纳米和671纳米激光模组耦合而来的单模光的演示。

    【具体实施方式】

    图1描述的是在光纤波导1的光传播，光纤波导1具有：纤芯2，纤芯直径光纤包层3，纤芯折射率n_core，及光纤包层折射率n_clad，其中n_core＞n_clad。根据斯涅尔折射定律，光纤波导的纤芯/包层界面的总折射符合sin(α)＝n_clad/n_core，其中α是偏离光纤波导径向轴的角。当光纤波导1能够接收光的最大入射角为θ_max时，光纤波导1的数值孔径NA为：$\mathrm{NA}=n_o\sin \left({\mathrm{\θ}}_{\max }\right)=\sqrt{(n_{\mathrm{core}}^2-n_{\mathrm{clad}}^2)},$其中n₀是光线波导1外面媒介的折射率。当光的入射角θ＜θ_max，所有的光，包括基本模和高次模，都能够通过光纤波导1传播。因为不同波长的所有传播模能够在纤芯2中独立传播，所以这样的一种光纤波导1可以为激光或发光二极管光传播和多波长耦合提供一种媒介。三种在光纤波导1中传播的光波示例如图1所示，其中光波4是基本模，光波5和6是不同的高次模。

    图2是直径为3.5微米和数值孔径为0.10的光纤波导的单模和准单模光传播条件的示意图。一般情况下，单模光图像表现为均一的光斑，其对应横向电磁场模式(TE01和TM01)。第一阶的电磁场模式，如EH11和HE11，可能会显示出一点不均匀的光斑形状但光束质量与单模光束质量相差不是太大。只要传播条件比单模传播条件仅高一点点，而高指令模式仍然是漏模的话，这是有可能发生的。这样，一种光束可包含部分高次模场畸变。这样一种畸变光束可被定义为准单模光束。

    单模光纤的宽带光源单模传播条件是由后述方程式决定：$V=\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{\φ}\sqrt{(n_{\mathrm{core}}^2-n_{\mathrm{clad}}^2)}=\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{\φ}\·\mathrm{NA},$其中λ代表光的波长，NA是传播光的光纤的数值孔径，代表纤芯的直径，n_core和n_clad分别代表纤芯和包层的折射率。对于绝大多数的传播紫外光和可见光(λ在365纳米到785纳米之间)的光纤，纤芯的直径小于10微米，n_core≈1.460，和n_clad≈1.455，理论上的单模光传播截止条件为V≤2.406。若参数V大于2.406，高次模将能通过光纤波导而得到传播，亚微成像应用中若校准这样的光束，成像分辨率会显著降低。

    单一波长的光能通过单模场分布的光纤波导得到传播，似乎不同波长的光需要不同的纤芯直径或不同的数值孔径，比如，波长为375纳米的光需要2微米的纤芯直径，波长为405纳米的光需要3微米和3.5微米作为纤芯直径，波长为440‑473纳米的光需要3.5微米的纤芯直径，波长为635‑685纳米的光需要4微米的纤芯直径，波长为785纳米的光需要5微米的纤芯直径。图3是纤芯直径决定单模和准单模传播的示意图，其中，纤芯折射系数n_core＝1.464，包层折射系数n_clad＝1.460和数值孔径NA＝0.108。显然，直径为2.5微米的纤芯能够允许350纳米紫外光的单模传播。增大纤芯直径会使得短波长光的单模传播变得困难。因为用不同纤芯直径或数值孔径把不同波长的光束耦合起来是不切实际的，所以为了单模输出而耦合宽带光源是很具有挑战性的。

    与此同时，使用光纤传输电缆传输的光源时，光纤‑光纤耦合是必需的。为了光能够更好地传播，显然光纤数值孔径和纤芯/包层直径必须相匹配，例如数值孔径0.12微米对应纤芯/包层直径2微米/125微米，数值孔径0.10微米对应纤芯/包层直径3微米/125微米，数值孔径0.11微米对应纤芯/包层直径3.5微米/125微米，且数值孔径0.12微米对应纤芯/包层直径4微米/125微米。因为不同短波长光源使用仅可允许单模输出的光纤，所以仅为单一光源输出而进行光纤‑光纤耦合是简单的。使用一种光纤耦合几种短波长的光源，可以输出单模光束，但是其中一些光源可能会遭到严重的损耗。图4是因纤芯直径和数值孔径不匹配而导致的传输损失的示意图。$T\≈-20\·\log \left(\frac{\mathrm{NA}2}{\mathrm{NA}1}\right)\·20\·\log \left(\frac{d_2}{d_1}\right),$其中d₁和d₂表示不同光纤的纤芯直径，NA1和NA2表示不同光纤的数值孔径，T是因耦合光纤数值孔径和纤芯直径而导致的传输损失，图4中NA1＝0.10和d₁＝4.0微米。

    请参照图5，依据本发明第一实施例的系统10是用来转化从光源20和21发出的光，其包括：基于光导的模限制器30、基于光纤卷的光转化器31和一个用来耦合光源20和21后输出一个光束给模限制器30的可见光结合器40。光源20和21是光纤耦合激光器或发光二极管，其发射的光的波长不同，如分别为532纳米和671纳米。光结合器40把两光束耦合成一束，但是输出的光束可能同时含有基本模和高次传播模。

    基于光导的模限制器30通过选择合适的纤芯直径和数值孔径来减少传播模数量。一个NA＝0.10和纤芯/包层直径为4微米/125微米的光纤电缆，被用作模限幅器30来在保持来自不同光源的最大传输能量同时减少传播模数目。模限制器30包括一个光纤波导102和2个纤维连接器/转角物理连接器112。如图6所解释，模限制器30包括一个仅伴有少量高次模传播基本模的光纤波导。

    如图6所示，光纤波导102包括紫外级光纤(例如：OZ光学，序号为：HPUC‑23AF‑633‑S‑3.9AS‑11，HPUC‑23AF‑488‑S‑4.5AS‑11)，光纤具有掺杂包层104，纯石英纤芯106，纤芯直径纤芯折射率n_core，光纤包层折射率n_clad，其中n_core＞n_clad。光纤包层所掺的离子可以是氟、氯和硼中的任一种或上述几种的任意组合。一个或多个实施例可包含由一掺氟的包层和一纯石英的纤芯组成的光纤。光纤包层也可为压缩包层。

    有限的传播模数V，与单模场和准单模场相对应，取决于后式：$V=\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{\φ}\sqrt{(n_{\mathrm{core}}^2-n_{\mathrm{clad}}^2)},$其中，λ是光的波长。对于单一的短波长光传导，容易选择纤芯直径、纤芯折射系数和包层折射系数。然而，作为一种多波长的光传导仪器，它必须在有限的传播模数和传导能量之间有所取舍。因此，从微米和NA＝(0.10+/‑0.02)的光纤电缆发射的束场分布，可能含有一种或几种高次传播模。光纤电缆的模数M＝V²/2。图6揭示在模限制器30的光纤波导102中传导的基本模108和高次模110。

    至少部分弯曲或弯折的光学纤维电缆，光转化器31，是建立在盘卷的光纤电缆之上，可进一步纯化传播场，以通过去除包层导向的模而得到单模或准单模场分布。光转化器31包括光纤连接器/转角物理连接器132和光纤波导122。当选定纤芯直径后，有效数值孔径将会被光纤弯曲直径轻微减小。

    光结合器40包括连接器41和42，多光束耦合是基于熔接处43的渐逝场耦合。连接器41、42是单模光纤连接器，其具有可抗反射的角抛光表面。

    输出的单模和准单模光被送至共焦显微镜的准直透镜，用来校准光束形成。

    图7和图8进一步展示了本发明第二和第三实施例的系统。该系统与图5中的系统10相似，但光源数目和波长范围不同。与图5中相同的结构元件使用相同的标号，除非特别需要，相关描述将被省略。一个NA＝0.10和纤芯/包层直径为4微米/125微米的光纤电缆，被用作模限制器来在维持来自不同光源的最大传输能量的同时，减少传播模的数量。图7揭示三个光源20、21、22，一个3×1光结合器40，模限制器30以及光转化器31。图8中，有四个光源20，21，22，23。这些光源对应几个短波长的光源。使用4×1光结合器40，模限制器30以及光转化器31可输出单光束。

    图9揭示一个8×1光结合器40，模限制器30和光转化器31。其中使用八个波长范围从小于400纳米至850纳米的光源20‑27。在本实施例中，得到的耦合比为12.5％，传输损失为‑9dB左右。如前面所提到的，一个NA＝0.10和纤芯/包层直径为4微米/125微米的单模光纤，被用作模限制器来在保持来自不同光源的最大传输能量同时，减少传播模的数量。该盘绕光纤构成一种高次模剥离器，将经传输的场分布纯化为单模或准单模的光束。经过此光束转化工艺，可以得到一个单点源，再使用物镜，可以形成校准光束。由于单模或准单模的光束质量较高，在共聚焦显微镜下，其成像分辨率可以和传统氩离子激光线的成像分辨率相比拟。另一方面，如果传输的光束能量可以为实像照明所接受，一个N×1的光结合器可以耦合N个光束(N大于8)。

    上述光束转化方法也可用于非光纤耦合光源。请参见图10，本发明第五实施例的系统10转化来自自由空间光源20’，21’，22’的光束。系统10包括模限制器30、光转化器31和介于光源20’，21’，22’和模限制器30之间的光结合器40’。光源20’输出300兆瓦，635纳米/785纳米的激光校准光束，光源21’输出100兆瓦，510‑560纳米的激光校准光束，光源22’输出100兆瓦，375纳米/480纳米的激光校准光束。如上面所介绍的，模限制器30在不同的光源条件下提供折衷的V参数。随后，螺旋光纤结构31作为一种高次模剥离器，将经传输的场分布纯化为单模或准单模的光束。前述光源的耦合基于自由空间光学，使用光学镜和二相色滤光片。光结合器40’包括位于光源20’后的激光镜41’，位于光源21’后的300‑550纳米的宽带激光镜42’，位于激光镜41’和300‑550纳米的宽带激光镜42’之间的绿色反射二相色滤光片43’，位于光源22’后的300‑550纳米的宽带激光镜44’，以及在滤光片43’和镜44’之后的45°蓝色反射二相色滤光片45’。宽带球镜或非球面镜46’被用来把光耦合进入光纤型光导内。宽带球镜或非球面镜46’由具紫外‑可见光抗反射涂层的紫外级光学玻璃制成。和前述光束转化工艺相似，输出的单模和准单模光被输送到共焦显微镜的校准镜。

    图11揭示依据本发明第六实施例的光转化器31’。光转化器31’包括光纤微弯波导122。其有效数值孔径NA_eff受光纤弯曲的曲率半径影响。例如，NA_eff＝(n_core²‑n_clad²‑n_core²cos(ζ))^0.5，这里的ζ(如图12所示)表示偏离光纤径向轴的角度。对于被引导的光波而言，其传输取决于入射角。因为一些高次模从纤芯泄漏到包层，所以光纤的微弯破坏内部全反射条件。在微弯可忽略不计的情况下，如前面所述，NA_eff≈NA＝(n_core²‑n_clad²)^1/2。

    根据单模光纤光传播条件方程式$V=\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{\φ}\sqrt{(n_{\mathrm{core}}^2-n_{\mathrm{clad}}^2)}=\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{\φ}\·\mathrm{NA}\≤2.406,$当一根光纤可以传输高次模时，它的直径相对较大。根据另一理论公式：$\mathrm{NA}(x,\mathrm{\φ})\≈\sqrt{n_{\mathrm{core}}^2-n_{\mathrm{clad}}^2\·{(1+\frac{\mathrm{\φ}}{2\·x})}^2},$公式中x表示光转化器31的曲率半径，单位是微米，为了将不同波长折衷形成单模传播，需要如前述第一到第六实施例所述对光纤进行机械弯曲以缩小数值孔径，从而除去高次传播模或多模。参照图13，模拟实验显示，通过弯曲光纤，可以有效缩小数值孔径，以输出单模或准单模的光束。

    请参见图14，成像仪器50以来自系统10的单模光源照射样本60。成像仪器50包括具有光控制组件的成像装置70和连接器80，比如：在这个实施例中介于光转化器31和光控制组件之间的光纤插座(x‑y微阶夹具)。光控制组件包括位于夹具80后用以控制光束大小的校准透镜91，位于校准透镜91后的鲍威尔透镜92，线反射光束扫描仪93，透镜孔径控制仪94，显微物镜(5x，10x，20x，和60x)95，96，用以改变光路的反射镜97，以及用以在CMOS摄像头99上记录成像的聚焦透镜98。反射镜97是倾斜的。来自于输出光源10的单模光通过夹具80，由校准透镜91形成平行光柱。随后，鲍威尔透镜92将平行光柱聚焦到线反射光束扫描仪93上。经由扫描仪93的光通过透镜孔径控制仪94和显微物镜95、96，在样本监测平面90上照射样本60。经物镜96、95，控制仪94、扫描仪93，反射镜97和聚焦透镜98的合作，样本60的影像被CMOS摄像头99记录。

    图15揭示光束分析装置200和300，分别具有光束轮廓仪(光子纳米扫描仪)202，302，用以分别测量使用和不使用鲍威尔透镜的情形下，通过显微物镜95、96的聚焦光束204、304。装置200，300分别包括43毫米的校准透镜206，306。装置200包括5倍倒光束扩大仪208，扩大仪位于校准透镜206和光子纳米扫描仪202之间。装置300在校准透镜306和光子纳米扫描仪302之间设有鲍威尔透镜308和5x，20x，50x物镜310。光子纳米扫描仪202，302精确到4微米，加上60x物镜可读取直径为200纳米的光束。5倍倒光束扩大仪208可根据纳米扫描仪的孔径，将光束的直径缩小到合适程度。不同的激光束被耦合进入共焦显微镜系统内，通过校准和鲍威尔透镜后，分析光束的质量。

    图16揭示来自532纳米红绿蓝激光模块的单模的形态。图17显示来自473纳米和532纳米激光模块耦合的单模的形态。图18揭示来自473纳米，532纳米和671纳米激光模块耦合的单模的形态。获得的光束以三维和二维曲线绘制出。通常，可以利用对称光束形和第一个衍射峰分布来确定单模束分布。图16‑18中，三维的图像在每张图片的左侧，二维的图像在右侧。

    下表所示为耦合效率：

    

    尽管在具体实施方式中对本发明的部分特征进行了详细的说明和描述，但在不脱离本发明精神的前提下，可以对本发明进行各种改变和替换。同样的，本领域熟练技术人员也可以根据常规实验获得本发明公开的其它改变和等同物。所有这些改变，替换和等同物都在本发明所定义的权利要求的构思和范围之内。