[发明专利]用于聚焦电磁束的包括声光偏转器的聚焦系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种在三维随机访问应用中用于聚焦电磁束的聚焦系统，所述系统包括用于在X-Z平面中聚焦电磁束的第一对声光偏转器以及用于在基本垂直于X-Z平面的Y-Z平面中聚焦电磁束的第二对声光偏转器。

背景技术

三维(3D)随机访问激光扫描技术在执行对生物样本的测量(包括扫描、成像、检测、激励等)中非常重要，例如对生物结构成像，或勘查细胞表面受体的荧光标记，或者执行诸如释放(uncaging)/光模拟(photosimulation)、FRET(荧光谐振能量传输；Fluorescence resonance energy transfer)、FLIM(荧光寿命成像；Fluorescence lifetime imaging)等的测量。

通常使用的3D激光扫描显微镜要么是共焦显微镜要么是多光子(双光子)显微镜。在共焦显微镜技术中，在探测器前布置针孔，以滤除从不是显微物镜的焦平面的任何其它平面反射的光。从而，可以成像位于样品(例如生物样本)内的不同深度上的平面。

双光子激光扫描显微镜使用较低能量的激光，需要其中的两个光子在量子事件中激励荧光，从而导致荧光光子的发射，接着由探测器探测该所述荧光光子。两个光子被近似同时吸收的可能性极低，其需要激励光子的高通量，因此双光子激励实际上仅发生在激光光束的焦点中，即通常具有约300nm×300nm×1000nm的尺寸的小椭圆体积中。一般地，使用飞秒脉冲激光器来提供双光子激励所需要的光通量，同时保持平均激光束强度足够低。

当应用上述技术中的任一个时，进行2D或3D扫描的传统方式是移动样品台，例如通过步进马达；然而，当使用浸没的样本腔是或者当利用微电极对生物样本进行电记录时，这样实施很复杂。因此，在分析生物样本的情况中，通常优选移动激光束的焦点而不是移动样本。在共焦和多光子显微镜中，可以通过偏转激光束来扫描焦平面(XY平面)的不同点，从而实现样本的2D扫描。传统上，通过经由机光偏转装置(诸如安装在检流计扫描器上的偏转反射镜)在给定的焦平面(XY平面)内偏转激光束来实现此扫描。例如，可以通过将物镜沿着其光轴(Z轴)(例如使用压电定位器)位移来实现在测量期间改变焦深(或沿着z轴扫描)。

在传统设置中使用的机械扫描组件(即扫描反射镜和显微物镜)的惯性在可获得的扫描速度方面表现出某些限制，这是因为扫描组件需要被物理地移动，以便进行3D扫描。

快速声光偏转器(AOD)已被提出作为对传统机械方案的替代。

Kaplan等(“Acousto-optic lens with very fast focus scanning”，OPTICS LETTERS/Vol.26，No.14/July 15，(2001))提出了由两个AOD构成的一种声光透镜，其具有对向传播的相位锁定的声波，以获得没有光束横向移动的单纯焦点移动。通过声光装置改变声频率的扫描速率来实现对声光透镜的焦点的改变。

在US 7,227,127中使用以上原理来提供3D扫描。通过使用4个声光偏转器在菱形状的结构中在空间上移动光束的焦点，两个横向(X和Y)均有两个声光偏转器。横向扫描是两个AOD在同一横向上的衍射的声频差的结果，而通过改变相同AOD中的声频的扫描速率来获得深度聚焦(即沿着显微镜光轴(称为Z轴)的焦点位移)。因此，焦点可以在X-Z和Y-Z平面中准独立地调节，其中，Z是对应于该装置的光轴的纵向。当X和Y偏转单元中的频率扫描速率不完美匹配时，这也导致严重的像散。

此外，存在与当前水平的AOD 3D扫描技术关联的各种问题，诸如空间和时间色散，特别是当与多光子扫描技术组合应用时。

在多光子技术中应用的短的飞秒脉冲必然隐含着，在更短的脉冲中存在更大的频率宽度(即更大的波长范围)，导致更大的空间色散(色差)。时间色散(即，脉冲在时间上的拉长)由如下事实导致：不同波长的光以不同的速度传播通过AOD。

现有技术AOD系统通过应用复杂的色散补偿元件一定程度上消除了空间和时间色散。