[发明专利]基于时空聚焦的均匀全息双光子显微系统

说明书

本发明公开了一种基于时空聚焦的均匀全息双光子显微系统。激光器输出线偏振飞秒激光，经半波片和偏振光分束器调节功率和偏振方向达到最大调制效率，再经过正交柱透镜后斜入射到反射式液晶空间光调制器上，正交柱透镜组紧邻液晶空间光调制器平行放置，相位调制后光束经过一组由第二消色差透镜和第三消色差透镜构成的中继4F透镜进入时空聚焦模块，时空聚焦模块输出色散补偿后的激光经过二向色镜反射，再由物镜聚焦至实验样本上。本发明加载至液晶空间光调制器的全息相位图中相位奇点基本消除，最终获得无散斑噪声的高轴向分辨率的均匀全息光束，具有适用范围广泛、兼容性强、激发效率高等优点。

技术领域

本发明涉及光学全息领域的一种显微光学系统，具体涉及基于时空聚焦的均匀全息双光子显微系统。

背景技术

全息双光子显微系统广泛用于显微成像、光遗传和光刻领域等。全息双光子系统用于显微成像能够提升图像信噪比，用于光遗传可以精准定位靶细胞位置并提高激发效率，用于光刻加工可以提高加工精度并加快加工速度。通过计算机生成的全息相位图可以控制光场的强度分布，全息相位图可以改变每个像素处的相位而不会对振幅产生影响。实际应用中，单色光照射空间光调制器或其他类似光学器件实现相位调制，该光束中继到聚焦物镜，在物镜的焦平面处会产生所需任意形状的强度分布。然而全息光束整形的主要问题是在整形后的全息光束中存在严重的散斑噪声，这严重降低了光束质量。

目前抑制或消除全息光束的散斑噪声的方法主要有四种：一是降低光源相干性，这种方法光路复杂，牺牲时间分辨率获取均匀全息光束；二是光路改进，对GS算法产生的CGH在频域上低通滤波，滤除高频的散斑噪声获取均匀全息光束，该方案在光路中增设滤波器，调节难度增大，全息光束的原有的高频信息丢失；三是优化数值重建的算法，增加信号区与噪声区，牺牲衍射效率去除全息光束的散斑噪声；四是通过迭代获取最佳的初始相位，降低时间分辨率获取无散斑的均匀全息光束。以上四种方法无法兼顾高时间分辨率、高衍射效率和系统兼容性。

传统全息相位图计算方法原理限制，计算机生成的全息相位图中存在相位奇点，全息光束中散斑噪声严重。

发明内容

本发明提出了基于时空聚焦的均匀全息双光子显微系统，能够在保证时间分辨率和系统兼容性的基础上，消除全息光束散斑噪声，获得均匀全息光束。而且本方法具有适用范围广泛、兼容性强、激发效率高等优点。

本发明采用的技术方案如下：

本发明包括飞秒激光器、半波片、偏振分束镜、聚焦镜、针孔、第一消色差透镜、正交柱透镜、液晶空间光调制器、第二消色差透镜、第一反射镜、第三消色差透镜、第二反射镜、第四消色差透镜、反射式闪耀光栅、第三反射镜、第五消色差透镜、二向色镜、物镜、滤光片、管透镜和相机；

飞秒激光器发出飞秒激光束，飞秒激光束经过半波片后入射到偏振分束镜发生反射，偏振分束镜的反射光束依次经聚焦镜、针孔、第一消色差透镜后再透过正交柱透镜入射到反射式液晶空间光调制器发生相位调制，正交柱透镜布置在液晶空间光调制器前方，液晶空间光调制器的反射调制光束再经正交柱透镜透射后依次经第二消色差透镜、第一反射镜发生反射，第一反射镜的反射光束再经第三消色差透镜、第二反射镜发生反射，第二反射镜的反射光束经第四消色差透镜、反射式闪耀光栅发生反射，反射式闪耀光栅的反射光束再经第三反射镜反射、第五消色差透镜透射后入射到二向色镜发生反射，二向色镜的反射光束经物镜后产生全息光束照射到实验样本，实验样本被全息光束激发的荧光经物镜逆反回到二向色镜发生透射，二向色镜的透射光束依次经滤光片、管透镜后入射到相机。

所述的针孔和第一消色差透镜构成第一组4F透镜组，第二消色差透镜和第三消色差透镜构成第二组4F透镜组，第四消色差透镜和第五消色差透镜构成第三组4F透镜组。

所述的正交柱透镜为长焦，长焦是指500mm以上。

所述的正交柱透镜分为两个柱透镜的正交组合并紧邻液晶空间光调制器平行放置。