[发明专利]具有色散补偿的脉冲分裂器

说明书

技术领域

本发明涉及具有色散补偿的脉冲分裂器，该脉冲分裂器特别适用于非线性光学成像，尤其是多光子显微术。本发明还涉及对应的光学成像系统和对应的成像方法。

背景技术

多光子显微术是一种为了研究生物组织而良好建立的技术。与共焦荧光显微术相比，其优势在于它具有在诸如组织的浑浊介质中的更大穿透深度、更小的激励负载和自然深度切片。

非线性成像的缺点是用于两个光子激励的荧光团的小吸收横截面。这可能通过增加激励功率来补偿，但是在利用具有80MHz的重复率的常规激光系统进行的亚微米聚焦中，功率的增加实际上被限制到在大约10mW平均功率处的针对所谓的漂白的损伤阈值。因此脉冲能量应该被限制到低于1nJ。然而，可用的激光系统表现出大得多的平均功率并因此表现出大得多的脉冲能量。可以优选在不损失能量的情况下通过将每个脉冲分裂成具有相同能量的一组等距脉冲来使用过剩的能量。通过将重复率加速N倍，一般可以：

使信号强度增加N倍，

使数据采集速度增加N倍，或

降低光损伤概率，或

其任何组合。

存在针对脉冲分裂器的各种解决方案，例如使用具有两个平行的部分反射镜的Fabry-Perot标准具，或者使用其中应用一堆平行标准具的所谓的光列(optical rattler)。

新近的单块脉冲分裂器已经被Na Ji，Jeffrey C.Magee&Eric Betzig (Nature Methods 5(2)2008，pp 197-202，题目为“High-speed，low-photodamage nonlinear imaging using passive pulse splitters”)公开。还参见对应的美国专利申请US 2009/0067458，其中一种装置包括脉冲激光源、无源脉冲分裂器、样品和探测器，该脉冲激光源以一输入重复率和一输入脉冲功率产生脉冲激光束，该无源脉冲分裂器(具有以50％束分裂器分界的两种不同材料)接收脉冲激光束并且输出包括针对脉冲激光束的每个输入脉冲的多个子脉冲的信号。输出信号具有高于输入重复率的重复率，并且每个子脉冲的功率小于输入脉冲功率。

Na Ji等人的脉冲分裂器的本质是：两个材料层具有不同的折射率，从而在50％束分裂器的界面处存在折射。具有不同折射率的材料具有具有不同群速度色散的倾向。这意味着，当超短脉冲行进穿过介质时，构成该脉冲的所有光学频率并不都具有相同的速度。因此，该脉冲将被展宽。这种展宽效应对于行进穿过两种材料——介质1和介质0——的各波束是不同的。在脉冲分裂器的输出端上，脉冲被混合，从而导致交替地更多和更少展宽的脉冲。Na Ji等人提出使用低色散材料——例如空气和硅来降低群速度色散，但是这将仅降低色散而不是将其消除，并且这一色散也将对子脉冲数目N和可用内部成对脉冲间隔时间Δt设置局限。

因此，一种改进的脉冲分裂器设备可能是有利的，特别地，更高效和/或可靠的设备可能是有利的。

发明内容

实现一种改进的脉冲分裂器是有利的。总体上，本发明优选寻求单独或组合地减轻、削弱或消除上述缺点中的一个或多个。特别地，可以看作是本发明的目的的是提供一种脉冲分裂器设备，其解决现有技术中的上述问题或其他问题。特别是关于色散的问题。

该目的和若干其他目的在本发明的第一方面通过以下方式获得，即提供一种脉冲分裂设备，其适于从相关联的脉冲照射源接收具有中心波长(λ)的照射脉冲并且针对每个输入照射脉冲输出多个子脉冲，

所述脉冲分裂器包括：

具有第一材料(m₀)的第一区域，所述第一材料具有第一折射率(n₀)，以及

具有第二材料(m₁)的第二区域，所述第二材料具有第二折射率(n₁)；

其中，所接收的照射脉冲和脉冲分裂器被配置为相互作用，从而使得至少第一和第二子脉冲分别被所述第一区域中的第一光程长度(OP1)和所述第二区域中的第二光程长度(OP2)在时间上分离，并且

其中，第一光程长度(OP1)乘以相对于第一材料中的波长的群速度色散(GVD1)与第二光程长度(OP2)乘以相对于第二材料中的波长的群速度色散(GVD2)平衡，从而使得所述第一和第二子脉冲的色散展宽基本相等。