[发明专利]一种基于多阶光纤模式复用的光纤STED显微镜

权利要求书

1.一种基于多阶光纤模式复用的光纤STED显微镜，其特征是：它由激发光输入端口(1)、损耗光输入端口(2)、荧光输出端口(3)、多孔毛细管(4)、扇入扇出拉锥区(5)、异质多芯光纤(6)、低折射率套管(7)、模式转换拉锥区(8)、低模间串扰少模光纤(9)、扩束无芯光纤(10)、特制光纤聚焦透镜(11)和待测荧光物质(12)组成，所述系统中激发光输入端口(1)注入与荧光物质匹配波长的激发光，该激发光经过双包层过渡光纤和多孔毛细管(4)插孔拉锥制备的扇入扇出拉锥区(5)，耦合至异质多芯光纤(6)中的某一纤芯，再经低折射率套管(7)和异质多芯光纤(6)组合拉锥成的模式转换拉锥区(8)，该激发光形成低模间串扰少模光纤(9)中的LP01基模，经过扩束无芯光纤(10)后入射至特制光纤聚焦透镜(11)后聚焦于待测荧光物质(12)，形成高斯分布的光斑；由损耗光输入端口(2)输入与荧光物质受激辐射损耗效应匹配波长的损耗光，同样经过扇入扇出拉锥区(5和模式转换拉锥区(8)形成了少模光纤中的LP02模式，该光波经扩束无芯光纤(10)扩束后入射至特制光纤聚焦透镜(11)，由于高阶模式的发散角较大，所以LP02模的外环可被透镜边缘单独调制，经过调制后的LP02模式外环与内光斑同时聚焦于待测荧光物质(12)表面，内外光波聚焦点之间具有π的相位差值，两者干涉构成了中央相干减弱边缘增强的环形光斑；该损耗光的环形光斑抑制物质的荧光激发，而激发光的高斯光斑促进物质的荧光激发，环形光斑和高斯光斑重合的中央会形成一个小型的荧光激发区域，该区域产生的荧光同样会被光纤端接收，被光纤接收到的能量会反向通过整个器件，最终由荧光输出端口(3)输出至接收器。

2.根据权利要求1所述的一种基于多阶光纤模式复用的光纤STED显微镜，其特征是：所述的异质多芯光纤的部分纤芯的折射率、直径或折射率剖面类型不同，纤芯数量为N，N为整数，N≥3。

3.根据权利要求1所述的一种基于多阶光纤模式复用的光纤STED显微镜，其特征是：所述的异质多芯光纤中纤芯的折射率剖面是阶跃型、抛物线型、高斯型。

4.根据权利要求1所述的一种基于多阶光纤模式复用的光纤STED显微镜，其特征是：所述的模式转换拉锥区由特殊结构的异质多芯光纤插入低折射率套管中拉锥制成，其拉锥结构满足绝热转换条件，可以将输入端的高斯基模转换为少模光纤中的标量模式，并且两者具有一一对应关系。

5.根据权利要求1所述的一种基于多阶光纤模式复用的光纤STED显微镜，其特征是：所述的异质多芯光纤的包层结构是单包层或者双包层，在模式转换拉锥区末端收缩后的内包层边界形成的光纤结构与后端输出少模光纤实现模场面积与数值孔径的匹配。

6.根据权利要求1所述的一种基于多阶光纤模式复用的光纤STED显微镜，其特征是：所述的异质多芯光纤中纤芯之间存在气孔、小芯径纤芯结构，目的是控制其对称超模与反对称超模在模式转化拉锥区中的相位差值。

7.根据权利要求1所述的一种基于多阶光纤模式复用的光纤STED显微镜，其特征是：所述的少模光纤是单芯少模或多芯少模光纤，当其为多芯少模光纤时，前端所匹配的模式转换拉锥区、扇入扇出拉锥区、输入输出光纤均使用多份，构成一种阵列型STED显微镜。

8.根据权利要求1所述的一种基于多阶光纤模式复用的光纤STED显微镜，其特征是：所述的光纤聚焦透镜是球型透镜、光纤端菲涅尔透镜或光纤磨锥透镜，其特点是可将LP02模式的外环和内部光斑同时聚焦于焦平面，且聚焦点处两者相位相反。