[发明专利]一种基于涡旋光的全光纤sted显微镜

说明书

本发明提供的是一种基于涡旋光的全光纤sted显微镜。其特征是：它由输入输出光纤1、1X2耦合器2、光衰减和相位调制器3、双包层过渡光纤4、多孔毛细管5、扇入扇出拉锥区6、异质多芯光纤7、低折射率套管8、模式转换拉锥区9、输出少模光纤10、低模间串扰光纤11、光纤聚焦透镜12和待测荧光物质13组成。本发明可用于超分辨率显微照明和成像系统，可广泛用于生物学和医学领域。

技术领域

本发明涉及的是一种基于涡旋光的全光纤sted显微镜，可用于超分辨率显微照明和成像系统，属于生物学和医学领域。

背景技术

随着现代生物科学和医疗科学的发展，研究者对微观结构观测提出了越来越高的要求，传统的光学显微镜受限于衍射极限无法分辨半波长尺度下的物质结构，在这种需求下赫尔于1994年提出了受激发射损耗(sted)显微成像技术，该技术的核心是在荧光物质在受光照产生荧光激发时，在激发光束外围叠加一个不同波长的环形光束(被称为sted光束，损耗光束)，该环形光束可以迫使其照射范围内的荧光染料原子做受激辐射，从而无法发出正常的荧光信号，而环形光束中央的暗区仍能正常发出荧光，该技术极大地缩小了显微镜的最小分辨尺寸，并且不受衍射效应限制，即在理论上暗心区域可以被调节至无限小，使其称为一项非常有应用潜力的显微技术。

目前市场上大部分sted显微技术均基于空间光调制器来产生环形的sted 光束和使激发光束与sted光束保持同轴匹配。这种空间光式的实验方案是相当复杂的，实验前往往需要长时间地进行系统校正，并且实验中的干扰因素诸如，震动、温度变化等因素都会引起空间光路的响应进一步影响sted显微镜中环形光斑的位置和形状，这些因素都会导致整个sted系统的性能下降。正是因为传统的sted 显微镜面临此类问题，基于光纤的sted显微镜应运而生，基于光纤的sted系统可大大简化系统的复杂度，提高系统的灵活性和稳定性，但同时如何在光纤中实现环形光束称为了主要问题。

光子灯笼是近十几年兴起的一种波导器件，能实现单模光纤与多模光纤之间模式低损耗耦合功能，是一种理想的光纤通信模分复用器件。光子灯笼连接单个多模波导与多个单模波导，一般通过低折射率毛细套管约束多根异质单模光纤熔融拉锥制备。光子灯笼是一种互易性器件，它既能实现将光纤的基模转换至特定高阶模式的模式复用器功能，也能实现将高阶模式解调并耦合至对应单模端口。

公布号为CN109752830B的专利提出了一种基于光纤的sted超分辨率显微照明装置，该发明使用空间光激发双包层光纤中光纤内包层的高阶模式，形成了环形光束，但其无法指定激发模式，仍需精细调节以实现环形光束。

公布号为CN111653380A的专利提出了一种基于单光纤的sted超分辨率显微成像装置。该发明使用螺旋光纤使得损耗光耦合至光纤涡旋模式，形成环形的输出光场而不影响激发光的出射状态。

公布号为CN111653378A的专利提出了一种基于多光纤光镊的sted超分辨率显微成像装置。该专利提出的方法是通过螺旋光纤将损耗光转换为光纤高阶涡旋模式，同时分布于待测粒子周围的多根单模光纤，又能利用光镊作用调节粒子的运动位置实现了一种高精度的sted显微镜。

本发明提出了一种基于涡旋光的全光纤sted显微镜。该器件利用异质多芯光纤制备成的涡旋光子灯笼，将单模输入端入射的损耗光转换为光纤涡旋模式，使其形成的环形输出场，同时低模间串扰光纤的引入可以极大方便扩展扫描范围，配合输入端的光衰减和相位调制器则可抵消光纤扰动带来的环形模式破坏，保证了输出端的环形涡旋光的纯度。同时，物质的荧光能被少模光纤接收，返回至单模输出端口，本器件实现了sted显微镜输入和输出端的集成，并且使用控制器抵消了光纤弯曲等效应对涡旋模式的干扰，是一种具有巨大潜力的新型光纤sted显微器件。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于涡旋光的全光纤sted显微镜。

本发明的目的是这样实现的：