CN109564325A - 采用涡旋光纤用于多模照明的光学成像*** - Google Patents

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Abstract

用在光学成像***(例如，受激发射损耗(STED)显微术***)的照明子***中的涡旋光纤，包括细长的光学透射介质，该介质具有一组区域，包括芯区域、围绕芯区域的沟槽区域、围绕沟槽区域的环区域以及包层区域，该组区域具有在可见光谱范围内为LP11模式组中的向量模式提供大于1×10‑4的Δneff的掺杂分布，以便同时在对应的可见波长处引导稳定的高斯和轨道角动量(OAM)承载模式。

Description

采用涡旋光纤用于多模照明的光学成像***
技术领域
本发明涉及显微镜和其它光学成像***的领域，尤其涉及“全光纤”光学成像***，其中多模光纤用于递送不同的照明光学信号。示例应用包括受激发射损耗(STED)显微术，其中照明光学信号包括分离的激发波束和损耗波束。
发明内容
一般而言，本公开涉及用在光学成像***(诸如受激发射损耗(STED)显微术***)的照明子***中的涡旋光纤。涡旋光纤包括细长的光学透射介质，该介质具有一组区域，包括芯(core)区域、围绕芯区域的沟槽(trench)区域、围绕沟槽区域的环(ring)区域，以及包层(cladding)区域。该组区域具有在可见光谱范围内为LP11模式组中的向量模式提供大于1×10-4的Δneff的掺杂分布，以便同时在对应的可见波长处引导稳定的高斯和轨道角动量(OAM)承载模式。
在另一方面，本公开涉及一种光纤，其中能够实现诸如STED显微术之类的应用所必需的光波束。在一个实施例中，光纤包括芯、沟槽、环和包层。芯和环具有比包层以及将芯和环分开的沟槽更高的折射率，沟槽具有比芯和环更低的折射率，优选地也低于包层。芯能够引导第一光的基本模式LP01成为STED显微术所需的高斯形激发波束。能够设计光纤的折射率分布，使得光纤可以具有与环对应的折射率阶跃，接近由光纤引导的LP11模式的模式强度分布的峰幅度值。
高阶LP11模式包括本征模式(包括圆柱偏振的TM01和TE01本征模式，以及混合的HE21(偶)和HE21(奇)本征模式)的线性组合。环的折射率阶跃优选地足够陡峭，使得圆柱偏振的TM01和TE01本征模式中的至少一个的有效折射率neff与其它本征模式的相应有效折射率充分分离，以允许耦合到该至少一个圆柱偏振的本征模式，而最少地耦合到其它本征模式。类似地，环的折射率阶跃优选地足够陡峭，使得HE21(偶)和HE21(odd)本征模式的有效折射率neff与圆柱偏振的TM01和TE01本征模式的相应有效折射率充分分离，以允许耦合到混合模式，而最少地耦合到其它本征模式。在一个实施例中，本文公开的光纤被设计为在可见波长范围内(即，400-700nm)具有至少1×10-4的LP11模式的有效折射率分离Δneff。另外，与理想高斯波束重叠的模场优选地大于80％，更优选地大于90％，甚至更优选地大于95％。更进一步，本文的光纤被设计为具有小于1000nm，更优选地小于950nm，更优选地小于或等于930nm的LP11模式的截止波长。而且，光纤优选地被设计为使得LP11模式的截止波长与损耗波束(即，第二光)的波长分离超过200nm。另外，接下来的高阶模式(诸如EH11和HE31)的截止波长优选地与损耗波束(即，第二光)的波长分离小于50nm。
当LP11模式分离时，它们可以承载轨道角动量，以成为所谓的轨道角动量(OAM)模式。在适当的偏振控制下，OAM模式能够在高数值孔径聚焦情况下具有圆环(donut)的形状，从而适合用作STED显微术中的损耗波束。通过对折射率分布进行仔细的相位管理(engineering)，具有阶跃折射率芯和阶跃折射率环的光纤能够承载STED显微术所需的激发波束和损耗波束。对折射率分布进行进一步仔细的相位管理能够确保跨可见光谱范围(大约400-700nm)提供这一点，其中大多数可用的STED染料被激发。因此，具体的染料和具体的STED应用确定激发波束和STED损耗波束的波长，从而确定对所用光波导的光学约束。由于大多数染料处于可见光谱范围内，因此用于STED显微术的光纤必须能够有效地引导可见光谱范围内的光。
实验表明，用本文公开的涡旋光纤实现的圆环形损耗波束能够提供圆环的中心处的强度与峰处的强度之间的消光比在776nm处测得小于-20dB，这与对于实际STED应用的-13dB理想值相比是有利的。因此，本公开的光纤在可见波长处提供光学模式的稳定性，从而提供在可见光域中工作的稳定的STED显微术***。本文公开的光纤也称为涡旋光纤，因为它适于在环形区域中承载涡旋光纤模式。
在另一个实施例中，本文公开的光纤被提供有围绕中心芯的双包层设计，并且环区域可以创建用于(例如从被照射的样本)收集和传播信号的多模波导。双包层设计可以例如由围绕玻璃包层的低折射率初级涂层(primary coating)提供。已知低折射率聚合物涂层来自双包层光纤，用于引导高功率激光源。双包层设计(例如，以围绕包层区域的低折射率初级涂层的形式)能够用于在包层区域中创建高NA多模波导。在这种情况下，它可以用于收集在由芯和环区域中引导的STED波束照射的样本中生成的STED荧光信号。因此，STED荧光信号能够通过多模包层被引导回。也能够借助于包括空气孔的空气包层提供低折射率包层，同样如本文附图中所例示的那样。
本公开还涉及一种照射样本的方法，包括以下步骤：提供本文公开的光纤；通过光纤的芯区域提供处于基本LP01模式的第一波束；提供第二波束作为通过光纤的环区域引导的一个或多个轨道角动量(OAM)模式；将波束聚焦到样本上，以提供由圆环形损耗波束围绕的高斯形激发波束。这可以用于STED过程中的照射，即，波束聚焦在样本上，以便从样本生成STED荧光信号。
此外，本公开还涉及一种用于执行STED显微术的方法，包括以下步骤：提供本文公开的光纤；通过光纤的芯区域提供处于基本LP01模式的激发波束；提供损耗波束作为通过光纤的环区域引导的一个或多个轨道角动量(OAM)模式；将波束聚焦到样本上，以提供由圆环形损耗波束围绕的高斯形激发波束，以便从样本生成STED荧光信号；以及收集STED荧光信号。STED荧光信号可以通过正常的体光学器件收集。但是，如上所述，低折射率涂层可以使包层区域变成具有高数值孔径的多模波导，使得STED荧光能够通过相同的光纤被收集并引导回。
在另一方面，本公开涉及STED显微术***，包括：如上所述的光纤；第一光源，用于在光纤的芯区域中以基本LP01模式发射激发光；第二光源，用于在光纤的芯区域中以基本LP01模式发射损耗光；模式转换器，被配置用于将损耗光的基本LP01模式转换为高阶LP11模式，从而生成被形成为通过光纤的环区域传播的一个或多个轨道角动量(OAM)模式的损耗波束；聚焦光学器件，被配置用于将激发光和损耗波束聚焦到样本上，以提供被圆环形损耗波束围绕的高斯形激发波束，以便从样本生成STED荧光信号；以及用于检测来自样本的STED荧光信号的检测器。
通过使用本文公开的光纤，可以使基于该光纤的STED显微术***紧凑且坚固。由于相同的光纤能够用于引导STED波束并用于收集STED信号，因此它可以针对非常适合于狭窄环境(诸如人体或动物体内部)的小尺寸集成STED显微术***打开，例如在内窥镜***中。
因此，本公开的又一方面涉及用于STED显微术的内窥镜***，包括刚刚描述的STED显微术***和具有用于进入体腔的远端的内窥镜，其中光纤和聚焦光学器件的至少一部分结合在内窥镜中，使得激发波束和损耗波束从内窥镜的远端发射，并且STED荧光信号从内窥镜的所述远端收集。
附图说明
如附图所示，从以下对本发明的特定实施例的描述中，前述和其它目的、特征和优点将变得清楚，其中相似的附图标记在不同视图中始终指代相似的部分。
图1是受激发射损耗(STED)显微术***的框图；
图2是STED原理的示意例示；
图3是光纤的折射率分布的图；
图4是光纤的靠近芯的折射率差异分布的图；
图5是针对某些模式的有效折射率随波长变化的图；
图6是光纤的有效折射率分离Δneff的图；
图7是针对光纤的不同弯曲半径的损耗波束的示例消光比的图；
图8和图9是点扩散函数分布的图；
图10是STED显微术***的框图；
图11是涡旋光纤折射率分布的图；
图12是使用锥形件(taper)生成激发波束和损耗波束的示意例示；
图13是采用长周期光栅(LPG)进行模式转换的显微术***的示意图；
图14是采用q板进行模式转换的显微术***的示意图；
图15是具有空气包层的光纤的示意描述；
图16是用于模式转换的啁啾光栅的响应特点的图。
具体实施方式
2016年6月3日提交的标题为“Optical Fiber For A STED Microscopy System”的美国临时申请62/345,022的全部内容通过引用并入本文。
图1示出了本文公开的STED显微术***1的实施例的示意图，该***包括如本文公开的涡旋光纤2，其包括由低折射率涂层限定的多模(MM)包层。该***包括第一光源3，用于发射在光纤2的芯区域中处于基本LP01模式的激发光；第二光源4，用于发射在光纤2的芯区域中处于基本LP01模式的损耗光；模式转换器5，被配置用于将损耗光的基本LP01模式转换为高阶LP11模式，从而生成被形成为传播通过光纤2的环区域的一个或多个轨道角动量(OAM)模式的损耗波束；以及聚焦光学器件6，被配置用于将激发光和损耗波束聚焦到样本5上，以提供由圆环形损耗波束围绕的高斯形激发波束，以便从样本5生成STED荧光信号。显微术***还可以在聚焦光学***的前面包括准直器(未示出)。在所示的STED显微术***1中，来自样本的STED荧光信号由光纤2的包层区域形成的数字孔径收集，使得STED荧光信号通过MM包层区域被引导回。还提供了锥形光纤耦合器9，用于将激发光和损耗光耦合到光纤的芯区域中，并用于分离在光纤2的包层区域中向后传播的STED荧光信号。提供检测器7用于检测来自样本5的STED荧光信号。
图2例示了STED显微术的原理。部分(a)是将被结合到要由STED显微术成像的样本中的荧光染料分子的能量图。部分(b)是常规荧光显微术的点扩散函数，以及部分(c)是STED显微术的点扩散函数，例示了超出衍射极限的分辨率增强。
参考图2的能量图部分(a)，处于基态(ground state)S0的荧光染料分子被激发波束(在本文也称为“激发光学信号”)激发到第一激发态S1，并然后迅速衰变到第一激发态S1的接地水平。当分子随后衰变(例如，在2-4ns内，荧光染料的典型寿命)到基态S0时，它发射荧光光子，荧光光子能够被记录以形成图像对比度。在存在称为损耗波束(或“损耗光学信号”)的红移激光束(其能量匹配S1与S0之间的间隙)的情况下，状态S1通过受激发射而减少，从而发射具有与损耗波束相同波长的光子。损耗波束具有合适强度时，相对于荧光分子的横截面，受激发射的衰变速率能够超过自发发射的衰变速率，因此处于S1状态的大多数分子不生成荧光而是生成受激发射光子。而且，由于固有的能量失配，损耗波束不会将分子重新激发到上面的激发态。
因此，如图2中所示，显微术***中的照明光具有两个分离的波束或光学信号的空间复杂图案：(1)高斯形激发波束，和(2)围绕激发波束的环形(或圆环形)损耗波束，也称为“STED波束”。使用这种配置，驻留在圆环区域中的荧光染料分子通过受激发射被淬灭，并且仅有激发波束的中心区域中的荧光被记录。能够在样本上扫描这个波束图案，以获得其高分辨率图像。
图3示出了跨光纤2的整个半径(1-100um)的折射率分布，其优选地包括围绕初级涂层区域的标准次级(聚合物)涂层区域，次级涂层(secondary coating)区域具有等于rprimary coating的内半径和等于rsecondary coating的外半径，并且折射率nsecondary coating大于ncladding，其中Δnsecondary coating＝nsecondary coating-ncladding。在一个实施例中，从62.5微米的光纤半径开始并具有27.5微米的宽度的初级涂层具有Δnprimary coating＝-0.075；包层区域的数值孔径为0.46；并且包围初级涂层的次级涂层是标准光纤涂层。
图4示出了光纤2的芯区域(0至5um)的折射率分布。在一个实施例中，光纤包括：具有芯半径rcore和折射率ncore的芯区域C，以及具有外包层半径rcladding和折射率ncladding的外包层区域，其中Δncore＝ncore-ncladding，并且其中芯区域的第一部分中的Δncore大于0。可以围绕芯区域设置沟槽区域T，沟槽区域具有等于rcore的内半径以及外半径rtrench，并且折射率ntrench小于ncore，其中Δntrench＝ntrench-ncladding。可以优选地设置围绕沟槽区域的环区域R，环区域具有等于rtrench的内半径以及外半径rring，并且折射率Δnring大于ncladding，其中Δnring＝nring-ncladding。因此，包层折射率ncladding用作在确定其它光纤区域的有效折射率Δn时的参考值。
优选地选择rcore、rring、rtrench、rcladding、Δncore、Δntrench和Δnring中的一些或全部的值，使得光纤的折射率分布包括：接近传播通过光纤的第一光的基本LP01模式的模式强度分布的峰振幅值的陡峭折射率和接近传播通过光纤的第二光的高阶LP11模式的模式强度分布的峰振幅值的陡峭折射率。高阶LP11模式包括模式的线性组合，模式包括圆柱偏振的TM01和TE01模式以及混合的HE21(偶)和HE21(奇)模式，使得至少一个圆柱偏振模式的有效折射率优选地与混合模式的有效折射率充分分离，以允许第二光耦合到该至少一个圆柱偏振模式，而最少地耦合到混合模式，或者允许第二光耦合到混合模式，而最少地耦合到圆柱偏振模式。
在一个实施例中，芯区域附近的折射率差异分布可以包括Δncore＝0.016、rcore＝0.8微米、Δntrench＝-0.007、rtrench＝1.3微米，Δnring＝0.026、rring＝1.9微米。
在设计光纤分布时，LP11模式的有效折射率分离Δneff是最重要的，并且主要由芯、沟槽和环的折射率和宽度确定，从而为光纤设计提供了非常大的参数空间。可以注意到的是，增加环的折射率提供了大的Δneff并且导致对OAM模式更严格的限制。但是，由于更严格的限制，增加环折射率使得芯中的基本模式更像环(即，更非高斯)。在具有大Δneff与具有类高斯的基本模式之间存在折衷。增加芯的折射率将导致更类高斯的基本模式，但它也降低了有效折射率差Δneff。也可以通过改变芯的半径来调整更加类高斯的基本模式。当对高Δneff和类高斯的基本模式的设计进行优化时，可以固定沟槽的折射率。最后，可以调谐沟槽参数，以控制高阶模式的截止波长，因为与其它参数相比，沟槽参数对Δneff的影响要小得多。向量模式求解器可以用于数值模拟不同的光纤设计。
因此，光纤折射率分布的Δncore可以是至少5×10-3，或至少10×10-3，优选地至少15×10-3。芯区域的半径rcore优选地小于1微米，主要是为了提供可见波长范围内的单模操作。
沟槽在芯区域与环之间提供折射率差异，以便分离分别在芯和环中传播的光。沟槽的折射率可以接近包层的折射率。但是，为了进一步增加芯区域和环区域的阶跃折射率分布的高度，Δntrench小于0，或小于-2×10-3，优选地小于-5×10-3。沟槽区域的宽度主要由芯区域和环上的传播限制(constriction)确定。沟槽的宽度可以小于1微米。沟槽的宽度和折射率的选择可以用于微调LP11模式的截止波长。
可以围绕环区域设置第二外沟槽。第二沟槽也可以是下掺杂的。第二沟槽可以具有基本上与内沟槽对应的Δn以及宽度。
图5示出了对于不同模式的依据波长变化的neff，例示了对于第一高阶模式(HOM)组的930nm的截止波长。
图6示出了对于圆柱偏振的TM01和TE01本征模式以及混合的HE21(偶)和HE21(奇)本征模式的有效折射率差Δneff。环设计可以提供偏振保持光纤(PMF)，其极大地增加了圆柱偏振的TM01和TE01本征模式的传播常数与混合的HE21(偶)和HE21(奇)本征模式的传播常数之间的差异。即使光纤严格地圆柱对称，光纤仍然是偏振保持的。利用明显不同的传播常数，可以耦合到具有高模态纯度的任何本征模式。因此，优选地选择环区域的宽度和nring，以在至少一个圆柱偏振模式与混合模式(反之亦然)之间提供至少10-4的有效折射率分离，优选地还跨越可见光谱范围。这种分离程度在图6中示出。
设计光纤，使得环区域位于接近标量(scalar)LP11模式的模式强度分布的振幅峰。环有效折射率Δnring应当具有足够高的值，以引起LP11本征模式的传播常数的期望分离。可以选择Δnring大于Δncore。优选地，Δnring为至少15×10-3，或至少20×10-3，最优选地至少25×10-3。环的半径rring可以小于4微米，或小于3微米，或小于2微米，即，环区域的宽度可以小于1微米。
光纤包层和涂层
本文公开的光纤可以使用经修改的化学气相沉积(MCVD)技术或其它合适的技术由SiO2或其它合适的材料制成。环区域和芯区域可以通过掺杂合适的增加折射率的掺杂剂或掺杂剂的混合物(诸如GeO2等)来形成。沟槽区域的负折射率可以通过使用氟来实现。包层可以选择为正常的未掺杂的SiO2。本文公开的光纤可以被设计为具有125微米的标准外直径，从而使其易于处理和接合到标准光纤。
如前所述，光纤还包括围绕包层区域的初级涂层区域，初级涂层区域具有等于rcladding的内半径和等于rprimary coating的外半径。折射率nprimary cladding优选地小于ncladding，其中Δnprimaiy cladding＝nprimary cladding-ncladding。包层区域的宽度可以是至少30微米或至少50微米。初级涂层区域的宽度可以是至少10微米，或至少20微米。并且Δnprimary coating可以选择为小于-30×10-3，或小于-40×10-3，或小于-50×10-3，优选地小于-60×l0-3。
因此，可以选择包层区域和初级涂层区域的折射率ncladding和nprimary coating以及宽度，使得包层区域的数值孔径大于0.40，或大于0.43，优选地大于或等于0.46。由此可以通过由光纤的包层区域形成的数字孔径来收集STED荧光信号，使得STED荧光信号能够通过光纤的多模包层区域被引导回。因此，具有如本文所公开的低折射率包层促进STED显微术***可以制造得更紧凑。通过将STED荧光信号通过包层被引导回，能够避免靠近聚焦光学器件放置的检测器和分束器。相反，检测器可以放置成远离聚焦光学器件。
模式转换
能够以基本LP01模式在光纤的芯中发射损耗波束。然后需要模式转换器将LP01转换成高阶LP11模式。这可以借助于模式转换器来提供。模式转换可以由外部微弯光栅提供，该外部微弯光栅也可以与本文公开的光纤设计一起使用。但是，更加坚固和紧凑的解决方案是在芯中内切的UV长周期光栅，以提供第二光在基本LP01输入模式和高阶LP11模式之间的模式转换。当通过Ge掺杂提供本文公开的光纤的芯的高折射率时，芯的UV灵敏度增加，从而使得UV LPG更具吸引力。利用具有小于40mm长度的UV LPG，模式转换能够以极高的纯度实现，从而提供大于95％，甚至大于99.7％的转换效率，并且***损耗可以小于0.1dB。在本文描述的示例中，31mm长的倾斜长周期光栅被UV内切到光纤中，以实现大于99.7％的转换效率。
可以使用的其它类型的合适模式转换器是声-光生成的光纤光栅、q板、空间光调制器(SLM)和超表面。
照明、成像和显微术***
使用受激发射损耗(STED)的超分辨率显微术通过使用第二圆环形光波束更改激发波束的有效点扩散函数来产生亚衍射极限特征，其中第二圆环形光波束抑制来自远离激发中心的荧光团(fluorophores)的荧光发射。通过受激发射来实现荧光抑制，其中受激发射在激发态的荧光团遇到与基态与激发态之间的能量差匹配的光子时发生。在光子和激发荧光团相互作用后，分子在自发荧光会发生前通过受激发射返回基态。因此，该过程有效地损耗了焦点附近的选定区域的能够发射荧光的激发荧光团。
在常规的共焦显微术中，通过数值孔径为NA的透镜的波长为λ的传播波束的焦点(d)的半高全宽(FWHM)近似为：d～λ/(2NA)。使用目前可用的最高数值孔径，对于可见光，这转变为横向方向(x，y)上的～200-300nm和轴向方向(z)上的～500-700nm。这是由点扩散函数(PSF)定义的衍射受限分辨率。
具有圆环形高斯-拉盖尔(Gauss-Laguerre)损耗波束的STED显微术***的空间分辨率由等式d～λ/(2NA(1+I/Is)1/2)给出。在这个等式中，I是STED波束的最大强度并且Is是染料的饱和强度特点。很明显，衍射极限在I＝0时获得。通过让I接近无穷大来获得克服衍射极限。如上所述的基本STED不改善轴向分辨率。但是，它是STED显微术，PSF的FWHM可以容易地在50nm左右，即，比共聚显微术焦小约4-5倍的因子。
如上所述，点扩散函数(PSF)是定义STED显微术***的性能的重要参数。定义PSF的一种方式是借助于被定义为分别在圆环中心处和在峰处的强度之间的比率的消光比。对于适当的STED成像，损耗波束通常需要大约-13dB的消光比。如本文所公开的，基于光纤的STED照明的一个大的优点是它提供低至-19dB，甚至低至-20.5的中心强度消光比，因此远远好于所需的。
在基于光纤的STED显微术***中，特别是在内窥镜***中，非常重要的是光纤可以弯曲，但不改变STED显微术的性能，因此不改变PSF。通过本文公开的STED照明***，提供了一种高度抗弯曲的PSF，如下面参考图7所描述的。
可以存在STED显微术***的若干技术特征，以便优化本文公开的STED显微术***的性能。例如，可以提供一个或多个偏振控制器来控制(一个或多个)OAM模式的内容。本文公开的STED照明/显微术***还可以包括在聚焦光学器件前面的准直器。可以在准直高斯形的激发波束和圆环形损耗波束的步骤之后执行聚焦。聚焦的步骤还可以通过使用梯度折射率(GRIN)物镜来执行。这可以帮助促进内窥镜***中的实现。标准光纤耦合器可以用于将激发光和损耗光耦合到本文公开的STED光纤的芯区域中。类似地，光纤耦合器(诸如锥形光纤耦合器)可以用于分离在光纤的包层区域中向后传播的STED荧光信号并将STED荧光信号耦合到分离的MM光纤中。
图7示出了对于涡旋光纤的从13cm降到0.3cm的不同弯曲半径的模式纯度。OAM模式在顶部用圆圈描绘，TE01和TM01模式用三角形描绘，剩余的基本模式HE11用方形描绘。左侧i)和右侧iii)的插图分别示出了盘绕涡旋光纤的图片以及标尺和标准的英寸光学柱(顶部)，以及具有圆偏振投影和的对应OAM模式图像(底部)。中间插图(iii)示出了UV光栅的透射光谱，从而揭示了99.7％的模式转换效率。
空间干涉测量法(“环技术”)用于通过使用四分之一波片和偏振波束置换器(displacer)将光纤的输出投影为两个圆偏振和并对方位角强度分布进行空间傅立叶分析以获得模式纯度来分析模式纯度。如上所述，图7中的插图(i)和(iii)分别示出了盘绕涡旋光纤的图片(顶部)和对应的近场模式图像(底部)。如从曲线可以看出的，在弯曲半径降至6mm的情况下，OAM模式保持纯度超过19dB(98.7％)。弯曲度超过6mm(半径)会导致明显的弯曲损耗，但在任何情况下都比对于典型显微镜或内窥镜的弯曲规格要严格得多。
图8和图9示出了示例1的涡旋光纤的点扩散函数分布，其弯曲半径为(a)6.5cm(10圈)；和(b)0.6cm(10圈)。线性标度(顶部)的激发波束和STED波束的线切割(line-cut)分布是沿着PSF图像的横向平面中描绘的虚线。结果与模拟(蓝色虚线)匹配。STED波束分布还以dB标度绘制(底部)，以阐明消光比。比例尺：500nm。
对于6.5cm和6mm的弯曲半径，通过扫描金珠(150nm金纳米颗粒)的样本并检测散射光来分别针对激发波束和STED波束测量PSF。两个PSF在两个方向上都在空间上很好地对齐。激发PSF的半高全宽为～382nm，而圆环的暗中心的半高全宽为～235nm。这些值与用蓝色虚线示出的理论估计值很好地比较，并且代表利用现有技术的自由空间***的类似测量。定义为中心处和峰处的强度之间的比率的消光比分别被测量为-17.6dB和-20.5dB，这与-13dB相比是有利的，-13dB是实际STED应用中经常引用的理想值。
图10示出了根据本公开的STED显微术***的示例性实施例的***示意图。使用波分复用器(WDM)形式的光纤耦合器，激发波束(λ＝632.8nm，HeNe激光器)和STED/损耗波束(λ＝776.34nm，Ti：蓝宝石激光器)被组合进入具有内置(in-line)光纤偏振控制器(polcon)的单模光纤(SMF)。SMF被接合到本文公开的涡旋光纤的实施例，其中内刻有31mm长的倾斜UV-LPG，以生成OAM模式。第一偏振控制器PC1可以用于生成圆偏振损耗光，从而帮助确保由LPG生成的OAM模式承载角动量，使得入射在样本上的损耗波束是圆环形。组合的损耗(来自接合和光栅)低至0.8dB，经由接合优化有可能实现附加的改进。在光栅之后，第二光纤偏振控制器(PC2)用于控制自旋轨道对齐的OAM模式(L＝+1和L＝-1)的内容，两者都在高NA聚焦条件下生成暗中心，因此适于STED。在大约5.1m的盘绕涡旋光纤之后，使用裸光纤适配器夹住输出尾纤。波束输出使用物镜(10X)进行准直，并通过高NA物镜(60X/1.35)聚焦到样本平面上。这里使用的涡旋光纤设置有标准涂层，并且因此STED信号不能通过包层被引导回。因此，提供分束器(BS)，以将STED荧光信号耦合到标准多模光纤(MMF)中，进入光电检测器(APD)。使用四分之一波片(λ/4)、偏振波束置换器(PBD)和相机，对波束成像。
图11例示了对于使用涡旋光纤的全光纤STED显微术的有利设计参数空间，涡旋光纤在可见波长范围内工作，其中采用大多数STED荧光染料。以下标准可以用于评估新的涡旋设计：
-增强的Aneff，优选地在可见波长范围(即，400～700nm)内在LP11模式组之间大于1×10-4。
-类高斯基本模式，即，与理想高斯波束重叠的模场大于90％。
-对于LP11模式组的适当截止波长(与STED波长分离>200nm)，以及对于接下来的高阶模式的适当截止波长(例如EH11和HE31；与STED波长分离<50nm)。
-用于高效模式转换的光纤光栅间距应当通过UV或微弯诱导或声-光生成的光栅可达到。
在这些标准当中，Δneff最重要。根据向量波动方程(vector wave equation)，LP11模式组之间的分离主要由图1所示的参数(即，Δn1、Δn2、Δn3、d1和d2)以及第二下掺杂沟槽的外观确定。光纤设计具有巨大的参数空间。这些参数和光纤特性之间的函数关系是复杂的，并且参数最常与一个或多个光纤特性耦合，例如：
-为了具有大的Δneff，我们首先增加环的折射率Δn3。高(环)折射率导致对OAM模式的更严格限制。如预期的那样，由于更严格的限制，增加环折射率不可避免地使基本模式更像环。在具有大Δneff与获得类高斯的HE11模式之间存在折衷。
-增加Δn1将导致更好的类高斯基本模式，但它也会降低有效折射率差Δneff。
-更高的Δn3更低的Δn2将增加Δneff，但是将基本模式改变为环形。我们在搜索参数以实现上述前两个目标时有意地固定氟下掺杂区域的折射率(Δn2)，并将其作为调谐参数(有时也与芯折射率Δn1的微调一起)留给控制高阶模式的截止波长，因为与其它参数相比，它对Δneff的影响要小得多。
-当Δn1～Δn3改变时，需要调整芯半径d1，以获得更好的高斯形基本模式。
-当Δn3改变时，我们必须相应地减小d2，以获得更大的Δneff。
图12例示了在激发波长处的HE1；1模式可以通过改变光纤输出的尺寸(例如，通过变成锥形)来整形。这个过程涉及将光纤安装在电动平移台上，并通过移动的电弧组件加热和熔化光纤到一定程度。通过仔细控制两个台和电弧组件的速度分布以及电弧的功率，可以制造由两个10mm的过渡区域和10mm的腰部组成的绝热(adiabatic)光纤锥形件。腰部在中间被切割以产生具有较小OD的输出，经选择使得激发波长处的HE1；1模式变为类高斯，而损耗/STED波长处的OAM模式仍然被很好地引导并且Δneff不减小太多。图12示出了OD 50um锥形件的示意图和来自具有50um OD(锥形件)和80um OD(非锥形件)的光纤输出的两种基本模式的模拟强度分布。顶部的两个STED波束图像也指示750nm的STED波长处的OAM模式不会因输出锥形件而失真，这可以通过表征这个波束的PSF来确认。
图13例示了使用放置在涡旋光纤前面的长周期光栅(LPG)作为模式转换元件。这种布置可以应用于在别处(例如，图1、10、14)描述的显微镜布置，以实现期望的模式转换。
图14示出了采用q＝1/2板在涡旋光纤中同时激发λSTED＝632.8nm处的OAM模式和λexc＝532nm处的本征上共同对齐的类高斯基本模式的布置。来自CW HeNe(λSTED＝632.8nm)和Verdi(λ＝532nm)的激光波束被组合进入具有内置光纤PolCon的SMF。组合波束被准直并通过q＝1/2板和消色差半波片。这些设备串联地将高斯波束转换成OAM波束，其可控效率由函数发生器(未示出)提供的q板的AC电压偏置确定。然后，结果所得的波束被自由空间耦合到涡旋光纤中，其中OAM模式和类高斯基本模式稳定地共同传播。使用CMOS相机对光纤输出进行近场成像。
在这个示例中，1.611V(f＝2kHz)的AC偏压使得q板将损耗波束完全转换成632.8nm处的圆环，同时保持532nm处的激发波束未转换。在光纤中传播大约3m之后，OAM模式纯度优于-15dB。
图15是具有空气包层的涡旋光纤设计的示意图。基于初步结果，我们怀疑背景光主要来自包层引导区域，并且可能来自掺杂剂和聚合物护套，因此可以解决它的新设计可以是引入内包层波导结构，内包层波导结构由当前涡旋光纤的二氧化硅包层和已经用于若干特种光纤的由空气孔组成的所谓空气包层的额外层形成。这可以将激发光和向后传播的荧光限制到全玻璃包层中，因此显著减少来自掺杂剂以及聚合物护套的背景光。
图16例示了使用啁啾光栅在大带宽上实现高转换效率。
特定的替代方案
除了上述具体元素和特征之外，以下是可以采用的具体替代方案：
1.在光纤的输出端处结合锥形件的光纤设计，使得即使光纤本身不具有期望的模式形状，也模式整形获得高斯激发和圆环形OAM波束。
2.双光子激发。因为LP01模式处于较长的波长，例如激发波长的2倍，所以对于环形的模式的问题较少，可以探索两个光子激发以实现合适的高斯形激发模式，而无需在一个光子激发波长处整形LP01模式。
3.光纤可单独用于激发，也可以用于激发和信号收集/检测。
4.仅环芯光纤设计，其中对于向量模式的模式分离如上所述保持，但LP01模式也是环形模式。高NA聚焦将在样本/焦平面处将均匀偏振的LP01模式转换成Bessel波束，其具有激发波束需要的所需高强度中心斑。
虽然上述公开内容主要参考STED显微术中的应用提供了描述，但是本领域技术人员将认识到的是，所公开的技术可以在各种成像***中采用，包括STED、光片显微术、多光子显微术、泵-探针显微术或其它光操纵技术。
虽然已经特别示出并描述了本发明的各种实施例，但是本领域技术人员将理解的是，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，可以在形式和细节上进行各种改变。

Claims (72)

1.一种用在光学成像***的照明子***中的涡旋光纤，所述涡旋光纤包括细长的光学透射介质，该介质具有一组区域，包括芯区域、围绕芯区域的沟槽区域、围绕沟槽区域的环区域以及包层区域，该组区域具有在可见光谱范围内为LP11模式组中的向量模式提供大于1×10-4的Δneff的掺杂分布，以便同时在对应的可见波长处引导稳定的高斯和轨道角动量OAM承载模式。
2.如权利要求1所述的涡旋光纤，是双包层设计或三包层设计，用于高效收集来自被照明子***照射的样本的向后传播的光学信号。
3.如权利要求2所述的涡旋光纤，其中向后传播的光学信号是荧光信号，并且双包层设计或三包层设计被调整用于收集荧光信号。
4.如权利要求3所述的涡旋光纤，其中包层区域的组成维持根据来自掺杂剂和包层区域的材料的荧光的第一信号与根据样本的荧光的第二信号之间的光谱分离，从而限制自发荧光。
5.如权利要求3所述的涡旋光纤，作为以下之一：(i)具有低n聚合物的三包层，用于引导向后传播的荧光；(ii)具有空气包层的三包层，用于引导向后传播的荧光；(iii)具有低n玻璃的三包层，用于引导向后传播的荧光。
6.如权利要求2所述的涡旋光纤，其中包层折射率对于建立大于0.4的包层波导的数值孔径是有效的。
7.如权利要求1所述的涡旋光纤，其中掺杂分布为涡旋模式提供距工作波长大于200nm的截止。
8.如权利要求1所述的涡旋光纤，被配置为提供LP01模式，该模式具有使得与高斯波束的重叠积分大于80％的形状。
9.如权利要求1所述的涡旋光纤，其中高阶模式具有在工作波长的50nm内的相应截止。
10.如权利要求7所述的涡旋光纤，其中高阶模式包括HE11和HE21。
11.如权利要求1所述的涡旋光纤，其中沟槽区域是内沟槽区域，并且还包括外沟槽区域，该外沟槽区域对于减小涡旋模式的弯曲损耗是有效的。
12.如权利要求1所述的涡旋光纤，包括内切光栅，该内切光栅具有在100um和800um之间的光栅周期，以提供所需的模式激发。
13.一种用在光学成像***中并采用如权利要求1所述的涡旋光纤的照明子***，包括经由紫外光(UV)或微弯诱导或声-光生成的光纤光栅、q板、空间光调制器、超表面以及其它能够将自旋转换成光的轨道角动量的自由空间光学部件提供模式激发的一个或多个模式激发部件。
14.如权利要求13所述的照明子***，还包括用于模式转换的UV长周期光栅。
15.如权利要求13所述的照明子***，还包括用于超快激光脉冲的宽带模式转换的啁啾光栅。
16.如权利要求13所述的照明子***，还包括声-光生成的光纤光栅，用于在宽光谱带宽上的可调谐光波束生成。
17.如权利要求13所述的照明子***，还包括用于模式转换的机械微弯光栅。
18.如权利要求13所述的照明子***，还包括在输入端处的模式剥离锥形件，以确保在利用光栅模式转换器对损耗光学信号进行模式转换之前，在所有波长处仅LP01模式通过涡旋光纤的芯。
19.如权利要求13所述的照明子***，包括自由空间设备，该自由空间设备被配置并可操作为用于共同路径模式转换的模式转换器。
20.如权利要求19所述的照明子***，其中模式转换器具有充足的色散，使得在涡旋光纤的输入处仅损耗光学信号转换成OAM波束，而激发光学信号保持高斯形状。
21.如权利要求19所述的照明子***，其中自由空间设备包括q板和空间光调制器中的一个或多个。
22.如权利要求13所述的照明子***，包括具有偏振多路复用和模式/波束清洁的q板，使得在输入旋涡光纤之前将圆形偏振的激发光学信号与正交偏振的损耗光学信号组合，使得使用单个q板设备产生激发信号和损耗信号的实际上更多的颜色对。
23.一种共焦受激发射损耗(STED)显微术***，其采用如权利要求1所述的涡旋光纤，所述***包括激发光学信号和损耗光学信号的相应源，以及配置并可操作为在输入到涡旋光纤中之前组合激发光学信号和损耗光学信号的波分复用器和耦合器。
24.如权利要求23所述的共焦STED显微术***，其中涡旋光纤用标准光纤连接器端接，以结合到标准显微镜输入端口。
25.如权利要求23所述的共焦STED显微术***，包括耦合器，该耦合器附加地将包层模式与芯模式耦合和分离，以便收集从样本向后传播的荧光。
26.如权利要求23所述的共焦STED显微术***，包括用于通过涡旋光纤的芯模式进行荧光收集的部件的集合，包括在近端或输入端处的环形器和分束器，用于将荧光波束与其它波束分离以将荧光波束发送到光学检测器。
27.如权利要求23所述的共焦STED显微术***，还包括一组光学部件，以在样本平面处耦合涡旋光纤的输出和高数值孔径(NA)物镜。
28.如权利要求26所述的共焦STED显微术***，其中扫描的波束光纤输出通过高NA物镜成像到高NA透镜的后孔径上或成像到被扫描的样本平面上。
29.如权利要求26所述的共焦STED显微术***，其中扫描的波束光纤输出耦合到GRIN透镜。
30.如权利要求23所述的共焦STED显微术***，形成具有光机械器件的内窥镜的一部分，以使得能够扫描来自涡旋光纤的输出的波束。
31.如权利要求30所述的共焦STED显微术***，其中光机械器件还提供对来自样本的荧光信号的收集。
32.如权利要求23所述的共焦STED显微术***，其中光学涡旋光纤的输出连接到允许样本扫描的显微镜布置。
33.如权利要求32所述的共焦STED显微术***，其中显微镜布置包括用于平移光波束的样本扫描台或检流计反射镜。
34.如权利要求23所述的共焦STED显微术***，其中涡旋光纤与显微镜元件对齐，使得点扩散函数保持(1)在用于激发光学信号和损耗光学信号的焦平面处对齐，以及(2)在传播方向上对齐，以限制激发光学信号与损耗光学信号之间的横向走离。
35.如权利要求23所述的共焦STED显微术***，配置有***对齐，用于最大程度地收集来自样本的荧光。
36.如权利要求23所述的共焦STED显微术***，包括时间选通的荧光收集以及同步的激发光学信号和损耗光学信号，以最大化激发后的损耗。
37.如权利要求23所述的共焦STED显微术***，包括利用脉动激发源的时间选通检测，以最小化在检测时间门外的不需要的背景信号和光纤自发荧光的影响。
38.如权利要求23所述的共焦STED显微术***，包括将源连接到涡旋光纤并将涡旋光纤连接到显微镜元件的封装的输入耦合器。
39.如权利要求23所述的共焦STED显微术***，包括在涡旋光纤中的OAM模式内使用四波混合，以生成自然地时间同步的激发光学信号和损耗光学信号。
40.如权利要求23所述的共焦STED显微术***，包括使用非线性频率生成技术来同时提供损耗光学信号波束所需的模式转换。
41.一种用于STED显微术***的光纤，包括：
具有芯半径rcore和折射率ncore的芯区域，以及具有外包层半径rcladding和折射率ncladding的外包层区域，其中Δncore＝ncore-ncladding，并且其中芯区域的第一部分中的Δncore大于0；
围绕芯区域的沟槽区域，所述沟槽区域具有等于rcore的内半径和外半径rtrench，以及小于ncore的折射率ntrench，其中Δntrench＝ntrench-ncladding；以及
围绕沟槽区域的环区域，所述环区域具有等于rtrench的内半径和外半径rring，以及大于ncladding的折射率nring，其中Δnring＝nring-ncladding，
其中选择rcore、rring、rtrench、rcladding、Δncore、Δntrench和Δnring的值，使得光纤具有包括以下的折射率分布：
(1)接近于传播通过光纤的第一光的基本LP01模式的模式强度分布的峰振幅值的陡峭折射率，以及
(2)接近于传播通过光纤的第二光的高阶LP11模式的模式强度分布的峰振幅值的陡峭折射率，其中高阶LP11模式包括模式的线性组合，模式包括圆柱偏振的TM01和TE01模式以及混合的HE21(偶)和HE21(奇)模式，使得至少一个圆柱偏振模式的有效折射率与混合模式的有效折射率充分分离，以允许第二光与所述至少一个圆柱偏振模式耦合，而最少地与混合模式耦合，或者允许第二光与混合模式耦合，而最少地与圆柱偏振模式耦合。
42.如权利要求41所述的光纤，还包括围绕包层区域的初级涂层区域，所述初级涂层区域具有等于rcladding的内半径和等于rprimary coating的外半径，以及小于ncladding的折射率nprimary cladding，其中Δnprimary cladding＝nprimary cladding-ncladding。
43.如权利要求42所述的光纤，还包括围绕初级涂层区域的次级涂层区域，所述次级涂层区域具有等于rprimary coating的内半径和等于rsecondary coating的外半径，以及大于ncladding的折射率nsecondary coating，其中Δnsecondary cladding＝nsecondarycladding-ncladding。
44.如权利要求42所述的光纤，其中初级涂层区域的宽度为至少10微米，或至少20微米。
45.如权利要求42所述的光纤，其中Δnprimary cladding小于-30x10-3，或小于-40x10-3，或小于-50x10-3，或小于-60x10-3。
46.如权利要求42所述的光纤，其中选择包层区域和初级涂层区域的折射率ncladding和nprimary coating以及宽度，使得包层区域的数值孔径大于0.40，或大于0.43，或大于0.46。
47.如权利要求41所述的光纤，其中Δncore为至少5×10-3，或至少10×10-3，或至少15×10-3。
48.如权利要求41所述的光纤，其中芯区域的半径rcore小于1微米。
49.如权利要求41所述的光纤，其中Δntrench小于或等于0，或小于-2×10-3，或小于-5×10-3。
50.如权利要求41所述的光纤，其中沟槽区域的宽度小于1微米。
51.如权利要求41所述的光纤，其中Δnring大于Δncore。
52.如权利要求41所述的光纤，其中Δnring为至少15×10-3，或至少20×10-3，或至少25×10-3。
53.如权利要求41所述的光纤，其中rring小于4微米，或小于3微米，或小于2微米。
54.如权利要求51所述的光纤，其中环区域的宽度小于1微米。
55.如权利要求41所述的光纤，其中包层材料是未掺杂的SiO2。
56.如权利要求41所述的光纤，其中包层区域的宽度至少为30微米或至少为50微米。
57.如权利要求41所述的光纤，其中选择芯半径rcore和Δncore，以在可见波长范围中第一光的基本LP0，1模式的芯区域中提供单模传播。
58.如权利要求41所述的光纤，其中选择环区域的宽度和nring，以跨可见光谱范围在所述至少一个圆柱偏振模式与混合模式之间提供至少10-4的有效的折射率分离。
59.如权利要求41所述的光纤，还包括UV内切长周期光栅，以提供第二光在基本LP01输入模式和高阶LP11模式之间的模式转换。
60.一种用于在采用如权利要求41所述的光纤的***中执行STED显微术的方法，包括：
通过光纤的芯区域提供处于基本LP01模式的激发波束；
通过光纤的环区域提供作为一个或多个轨道角动量(OAM)模式的损耗波束；
将波束聚焦到样本上，以提供被圆环形损耗波束围绕的高斯形激发波束，以便从样本生成STED荧光信号；以及
收集STED荧光信号。
61.如权利要求60所述的方法，其中通过对以基本LP01模式传播通过光纤的芯区域的第二光进行模式转换来提供(一个或多个)OAM模式。
62.如权利要求60所述的方法，其中借助于在光纤中内切的长周期光栅UV来提供模式转换。
63.如权利要求60所述的方法，其中聚焦的步骤是在准直高斯形激发波束和圆环形STED波束的步骤之后执行的。
64.如权利要求60所述的方法，其中通过使用GRIN物镜来执行聚焦的步骤。
65.如权利要求60的方法，其中通过由光纤的包层区域形成的数字孔径收集STED荧光信号，使得STED荧光信号通过光纤的所述包层区域被引导回。
66.一种采用如权利要求41所述的光纤的STED显微术照明***，包括：
如权利要求41所述的光纤；
第一光源，用于在光纤的芯区域中以基本LP01模式发射激发光；
第二光源，用于在光纤的芯区域中以基本LP01模式发射损耗光；
模式转换器，被配置用于将损耗光的基本LP01模式转换成高阶LP11模式，从而生成被形成为传播通过光纤的环区域的一个或多个轨道角动量(OAM)模式的损耗波束；以及
聚焦光学器件，被配置用于将激发光和损耗波束聚焦到样本上，以提供由圆环形损耗波束围绕的高斯形激发波束，以便从样本生成STED荧光信号。
67.一种采用如权利要求41所述的光纤的STED显微术***，包括：
如权利要求41所述的光纤；
第一光源，用于在光纤的芯区域中以基本LP01模式发射激发光；
第二光源，用于在光纤的芯区域中以基本LP01模式发射损耗光；
模式转换器，被配置用于将损耗光的基本LP01模式转换成高阶LP11模式，从而生成被形成为传播通过光纤的环区域的一个或多个轨道角动量(OAM)模式的损耗波束；
聚焦光学器件，被配置用于将激发光和损耗波束聚焦到样本上，以提供由圆环形损耗波束围绕的高斯形激发波束，以便从样本生成STED荧光信号；以及
检测器，用于检测来自样本的STED荧光信号。
68.如权利要求67所述的STED显微术***，还包括一个或多个偏振控制器，用于控制(一个或多个)OAM模式的内容。
69.如权利要求67所述的STED显微术***，还包括在聚焦光学器件前面的准直器。
70.如权利要求67所述的STED显微术***，被配置为使得STED荧光信号由光纤的包层区域形成的数字孔径收集，使得STED荧光信号通过光纤的所述包层区域被引导回。
71.如权利要求67所述的STED显微术***，还包括光纤耦合器，用于将激发光和损耗光耦合到光纤的芯区域中和/或用于分离在光纤的包层区域中向后传播的STED荧光信号。
72.一种用于采用如权利要求67所述的STED显微术***的STED显微镜的内窥镜***，包括：
如权利要求67所述的STED显微术***；以及
内窥镜，具有用于进入体腔的远端，其中光纤和聚焦光学器件的至少一部分结合在内窥镜中，使得激发波束和损耗波束从内窥镜的远端发射并且从内窥镜的所述远端收集STED荧光信号。
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