具有色散補償的脈衝分裂器的製作方法

2023-07-15 00:57:11 1

專利名稱：具有色散補償的脈衝分裂器的製作方法
技術領域：
本發明涉及具有色散補償的脈衝分裂器，該脈衝分裂器特別適用於非線性光學成像，尤其是多光子顯微術。本發明還涉及對應的光學成像系統和對應的成像方法。
背景技術：
多光子顯微術是一種為了研究生物組織而良好建立的技術。與共焦螢光顯微術相比，其優勢在於它具有在諸如組織的渾濁介質中的更大穿透深度、更小的激勵負載和自然深度切片。
非線性成像的缺點是用於兩個光子激勵的螢光團的小吸收橫截面。這可能通過增加激勵功率來補償，但是在利用具有80MHz的重複率的常規雷射系統進行的亞微米聚焦中，功率的增加實際上被限制到在大約IOmW平均功率處的針對所謂的漂白的損傷閾值。因此脈衝能量應該被限制到低於lnj。然而，可用的雷射系統表現出大得多的平均功率並因此表現出大得多的脈衝能量。可以優選在不損失能量的情況下通過將每個脈衝分裂成具有相同能量的一組等距脈衝來使用過剩的能量。通過將重複率加速N倍，一般可以
使信號強度增加N倍，
使數據採集速度增加N倍，或
降低光損傷概率，或
其任何組合。
存在針對脈衝分裂器的各種解決方案，例如使用具有兩個平行的部分反射鏡的Fabry-Perot標準具，或者使用其中應用一堆平行標準具的所謂的光列(optical rattler)。
新近的單塊脈衝分裂器已經被Na Ji，Jeffrey C. Magee&Eric Betzig (Nature Methods 5(2)2008, pp 197-202, H 目 % "High-speed, low-photodamage nonlinear imaging using passive pulse splitters，，)公開。還參見對應的美國專禾丨J申請US 2009/0067458，其中一種裝置包括脈衝雷射源、無源脈衝分裂器、樣品和探測器，該脈衝雷射源以一輸入重複率和一輸入脈衝功率產生脈衝雷射束，該無源脈衝分裂器(具有以50% 束分裂器分界的兩種不同材料)接收脈衝雷射束並且輸出包括針對脈衝雷射束的每個輸入脈衝的多個子脈衝的信號。輸出信號具有高於輸入重複率的重複率，並且每個子脈衝的功率小於輸入脈衝功率。
Na Ji等人的脈衝分裂器的本質是兩個材料層具有不同的折射率，從而在50% 束分裂器的界面處存在折射。具有不同折射率的材料具有具有不同群速度色散的傾向。這意味著，當超短脈衝行進穿過介質時，構成該脈衝的所有光學頻率並不都具有相同的速度。 因此，該脈衝將被展寬。這種展寬效應對於行進穿過兩種材料一介質1和介質0—的各波束是不同的。在脈衝分裂器的輸出端上，脈衝被混合，從而導致交替地更多和更少展寬的脈衝。Na Ji等人提出使用低色散材料——例如空氣和矽來降低群速度色散，但是這將僅降低色散而不是將其消除，並且這一色散也將對子脈衝數目N和可用內部成對脈衝間隔時間4At設置局限。
因此，一種改進的脈衝分裂器設備可能是有利的，特別地，更高效和/或可靠的設備可能是有利的。發明內容
實現一種改進的脈衝分裂器是有利的。總體上，本發明優選尋求單獨或組合地減輕、削弱或消除上述缺點中的一個或多個。特別地，可以看作是本發明的目的的是提供一種脈衝分裂器設備，其解決現有技術中的上述問題或其他問題。特別是關於色散的問題。
該目的和若干其他目的在本發明的第一方面通過以下方式獲得，即提供一種脈衝分裂設備，其適於從相關聯的脈衝照射源接收具有中心波長(λ)的照射脈衝並且針對每個輸入照射脈衝輸出多個子脈衝，
所述脈衝分裂器包括
具有第一材料(Hitl)的第一區域，所述第一材料具有第一折射率(Iici)，以及
具有第二材料(Hi1)的第二區域，所述第二材料具有第二折射率(Ii1)；
其中，所接收的照射脈衝和脈衝分裂器被配置為相互作用，從而使得至少第一和第二子脈衝分別被所述第一區域中的第一光程長度(OPl)和所述第二區域中的第二光程長度(0Ρ2)在時間上分離，並且
其中，第一光程長度(OPl)乘以相對於第一材料中的波長的群速度色散(GVDl)與第二光程長度(0Ρ》乘以相對於第二材料中的波長的群速度色散(GVD》平衡，從而使得所述第一和第二子脈衝的色散展寬基本相等。
本發明特別地但非排外地有利於獲得一種脈衝分裂器，其中第一和第二子脈衝的色散展寬是基本相同的。值得注意的事實是，本發明獲得子脈衝的基本相同的展寬是因為 為了所謂的線性調頻(chirp)的後續色散補償，各種標準技術於是可以被用於補償這一色散，例如一對光柵或一組線性調頻的反射鏡，或者超快光學領域中的其他眾所周知的技術。
還應該注意，第一光程長度(OPl)乘以相對於第一材料中的波長的群速度色散 (GVDl)與第二光程長度(OP》乘以相對於第二材料中的波長的群速度色散(GVM)之間的平衡對於致力於設計脈衝分裂器的技術人員來說並不是直觀的選擇，這是因為為了具有足夠緊湊的分裂器，通常第一與第二材料之間的高折射率差異是期望的，而高折射率通常也意味著高群速度色散，但是，這僅是根據本發明的教導和原理的相關設計考慮的一部分。
在本發明的背景下，術語「脈衝照射源」被認為包括但不局限於適用於非線性光學成像技術領域中的多光子顯微術的脈衝雷射器，例如具有80MHz或更高重複率的Ti-藍寶石雷射器，或者具有20MHz或更高重複率的光纖雷射器。
在本發明的背景下，第一和/或第二材料可以是在照射源的中心波長周圍透明的任何種類的材料。因此，這些材料可以是固體，例如玻璃，但是也可以是流體，例如液體或氣體。
本發明的脈衝分裂設備的特殊之處在於第一和第二子脈衝被脈衝分裂設備在時間上分離，即它們在時域是分離的，但是它們在離開脈衝分裂設備之後在基本相同的空間方向上傳播。然而，當第一和第二子脈衝在脈衝分裂器內分別沿著第一和第二光程傳播時， 它們在空間上是分離的。
在一個實施例中，第一區域和第二區域包括由第一材料和第二材料形成的公共界面，並且優選地第一光程長度(OPl)和第二光程長度(OP》通過該公共界面彼此分離。這例如可以是在公共界面中的半反射或半透明反射鏡，例如50%。
優選地，所述公共界面可以是基本為平面的界面，該公共界面還位於一對基本平行的反射表面之間，所述反射表面被布置成朝向公共界面反射第一和第二子脈衝。這可以是專用反射鏡，但是替代地，折射率的差異可以足夠高以便完全內反射可以執行該反射。該公共界面可以優選平行於所述反射表面。
在特定實施例中，可以分別通過中心波長處的第一和/或第二折射率的二階導數來近似相對於第一和/或第二材料中的波長的群速度色散(GVD1/GVD》。因此，可以近似一個群速度色散，而不必近似兩個。更高階的色散效應變得越來越重要，原始脈衝寬度越小， 即頻譜容量越寬。所述二階導數可以從標準表格中檢索出來，即所謂的材料的「M常數」。
更特別地，通過要求在中心波長(λ)處或周圍滿足以下等式來使第一和第二子脈衝的色散展寬基本相等d2n, d2nr、
nH ,
其中第一折射率是IV且第二折射率是ηι。
優選地，所述色散展寬在由相關聯的照射源的可調中心波長範圍限定的波長間隔內是基本相等的。因此例如該範圍可以是Ti 藍寶石雷射器的700-950nm，但是其他間隔， 例如圍繞中心波長(λ)的50、100或150納米(nm)也是可預期的。替代地，可預期中心波長(λ )的10、20或30納米(nm)譜寬。
有利地，第一光程長度(OPl)乘以相對於第一材料中的波長的群速度色散與第二光程長度(0P》乘以相對於第二材料中的波長的群速度色散可以被平衡，從而使得第一和第二子脈衝的最寬脈衝寬度相對於第一和第二子脈衝的最小脈衝寬度的比率在因子2、 1. 6、1. 3或1. 1內。該寬度可以被測量為例如Gaussian類型波束的半高寬(FWHM)。無論脈衝寬度的定義如何，其對於第一和第二子脈衝應該是相同的，並且本發明的結果是由脈衝分裂設備導致的展寬基本相同。
在第二方面，本發明涉及一種用於對對象進行成像的光學系統，所述系統包括
-脈衝照射源，其適於發射具有中心波長(λ)的照射脈衝，
-如第一方面所述的脈衝分裂器，以及
-光學探測器，其能夠探測來自所述對象的反射輻射。
因此，本發明可以結合諸如飛秒雷射、多光子顯微術、共焦顯微術等的各種光學成像技術來實現。
優選地，該光學系統可以還包括具有一對光學部件(Pl、Ρ2)的第一色散補償單元以及高階色散補償設備010)，所述設備適於與布置成通過在空間上分離不同的波長來補償一階色散的所述對光學部件(Ρ1、Ρ》協作，所述補償設備具有相位板的形式，其中，通過對所述板的對應位置處的高度進行設計來調節針對每個波長的相位變化，從而基本補償高階色散。
在第三方面，本發明涉及一種用於對對象執行光學成像的方法，所述方法包括
-提供脈衝分裂設備，其適於從脈衝照射源接收具有中心波長(λ)的照射脈衝並且針對每個輸入照射脈衝輸出多個子脈衝，所述脈衝分裂器包括具有第一材料(Hlci)的第一區域以及具有第二材料(Hl1)的第二區域，所述第一材料具有第一折射率( )，所述第二材料具有第二折射率(Il1)；以及
-將所接收的照射脈衝和脈衝分裂器配置為相互作用，從而使得至少第一和第二子脈衝分別被所述第一區域中的第一光程長度(OPl)和所述第二區域中的第二光程長度 (0P2)在時間上分離，
其中，第一光程長度(OPl)乘以相對於第一材料中的波長的群速度色散(GVDl)與第二光程長度(0P》乘以相對於第二材料中的波長的群速度色散(GVD》被平衡，從而使得第一和第二子脈衝的色散展寬基本相等。
總體上，本發明的各個方面可以以本發明的範圍內的任何可能的方式進行組合和耦合。通過參考此後描述的實施例，本發明的這些及其他方面、特徵和/或優勢將變得明顯並且得以闡明。


參考附圖，僅作為示例來描述本發明的實施例，在附圖中
圖1是根據本發明的用於對對象進行光學成像的系統的示意圖2是根據本發明的脈衝分裂設備的示意圖3是根據本發明的脈衝分裂設備的另一示意圖4是根據本發明的脈衝分裂設備的又一示意圖，其示出處於堆疊配置的多種材料；
圖5是適用於找到將應用於本發明的成對材料的圖表；
圖6是對於實現本發明有用的色散補償設備的示意圖；以及
圖7是根據本發明的方法的流程圖。
具體實施方式
圖1是根據本發明的用於對例如組織的對象8進行光學成像的系統1的示意圖。 系統1包括適於發射具有中心波長λ的照射脈衝的脈衝照射源2。根據本發明，該源2被與脈衝分裂器5光學連接，即通過反射鏡3或類似設備。在脈衝分裂設備5之後，子脈衝 (該圖中未示出)被傳輸穿過色散補償設備6 (參見下面的圖6)並且經由例如聚焦透鏡和 /或導管臂的操縱光學器件7照射到對象8上。然後，從對象8反射的輻射(用雙箭頭示意性指示)被適當的光學探測器4探測到，該光學探測器能夠探測來自所述對象8的反射輻射。特別地，本發明對於各種生物組織的多光子顯微術中利用飛秒雷射的應用來說是有利的，但是本領域技術人員也很容易想到其他應用，例如用於(生物)醫學成像的緊湊光纖掃描器。
圖2是根據本發明的脈衝分裂設備5的示意圖，脈衝分裂設備5適於從相關聯的脈衝照射源2接收具有中心波長(λ)的照射脈衝並且針對每個輸入照射脈衝輸出多個子脈衝11和12。
該脈衝分裂器包括具有具有第一折射率Iitl的第一材料Hitl的第一區域以及具有具有第二折射率Il1的第二材料Hl1的第二區域。第一和第二折射率是不同的，從而在界面9中提供光的折射。特別地，第一和第二區域包括由第一和第二材料形成的公共界面9，其中第一光程長度OPl和第二光程長度0P2通過該公共界面彼此分離。界面9優選是50%半透明的反射鏡或者用於將脈衝10分裂成兩個子脈衝的類似設備。
所接收的照射脈衝和脈衝分裂器5被配置為相互作用，從而使得至少第一子脈衝 11和第二子脈衝12分別被第一區域中的第一光程長度OPl和第二區域中的第二光程長度 0P2在時間上分離，如圖2中示意性指示的內部成對脈衝間隔時間At。對於這一時間分離的更多細節，本領域技術人員可以參考美國專利申請US 2009/0067458，其通過引用整體合併於此。
本發明的特殊之處在於第一光程長度OPl乘以相對於第一材料中的波長的群速度色散GVDl與第二光程長度0P2乘以相對於第二材料中的波長的群速度色散GVD2被平衡，從而使得第一子脈衝10和第二子脈衝11的色散展寬基本相等；因此，
OPl XGVDl = 0P2XGVD2 或 OPl XGVDl ^ 0P2XGVD2 (1)
是在中心波長(λ)周圍應該滿足的約束條件。
圖3是根據本發明的脈衝分裂設備5的另一示意圖。該圖中的設備類似於圖2中的設備，但是在此通過由界面9分離的第一區域13和第二區域23來具體實現和示出光程 OPl和0Ρ2，該公共界面9是基本為平面的界面，且該公共界面還被定位在被布置成朝向公共界面9反射子脈衝14和15的一對基本平行的反射表面25和35 (例如反射鏡)之間，如圖3中示意性指示的。一旦撞擊到界面9上，子脈衝14和15都將被分成兩個進一步的子脈衝，從而導致一個上分支的時間上分離的子脈衝11和12以及下分支的時間上分離的子脈衝15和17，如圖3中示意性指示的。在每個分支中，這些子脈衝是空間上重疊的，以便有利於如圖1中指示地對子脈衝進行進一步光學處理。
可以看出，如果脈衝10的入射角Qtl滿足下面的條件，則以相同方向出射的子脈衝11和12將在空間上重疊
權利要求
1.一種脈衝分裂設備(5)，其適於從相關聯的脈衝照射源( 接收具有中心波長(λ) 的照射脈衝(10)並且針對每個輸入照射脈衝輸出多個子脈衝(11、12、15、17)，所述脈衝分裂器包括具有第一材料0 )的第一區域(13)，所述第一材料具有第一折射率00，以及具有第二材料(Hi1)的第二區域(23)，所述第二材料具有第二折射率(Ii1)； 其中，所接收的照射脈衝和所述脈衝分裂器(5)被配置為相互作用，從而使得至少第一和第二子脈衝(11、1 分別被所述第一區域中的第一光程長度(OPl)和所述第二區域中的第二光程長度(0P2)在時間上分離，並且其中，所述第一光程長度(OPl)乘以相對於所述第一材料中的波長的群速度色散 (GVDl)與所述第二光程長度(OP》乘以相對於所述第二材料中的波長的群速度色散 (GVD2)被平衡，從而使得所述第一和第二子脈衝(11、1幻的色散展寬基本相等。
2.如權利要求1所述的設備，其中，所述第一區域(1 和所述第二區域包括由所述第一材料和所述第二材料形成的公共界面(9)，其中，所述第一光程長度(OPl)和所述第二光程長度(0P2)通過所述公共界面彼此分離。
3.如權利要求2所述的設備，其中，所述公共界面(9)是基本為平面的界面，所述公共界面位於一對基本平行的反射表面(25、35)之間，所述反射表面被布置成朝向所述公共界面反射所述第一和第二子脈衝。
4.如權利要求1或3所述的設備，其中，分別通過所述中心波長處的所述第一折射率和 /或所述第二折射率的二階導數來近似相對於所述第一材料和/或所述第二材料中的波長的群速度色散。
5.如權利要求3或4所述的設備，其中，通過要求在所述中心波長(λ)處滿足等式"總="。會剩吏腿.一糖二備中(η、⑵白勺輸腿B- λ2 λ2折射率是nQ，且所述第二折射率是ηι。
6.如權利要求1所述的設備，其中，所述色散展寬在由所述相關聯的照射源的可調中心波長範圍限定的波長間隔內是基本相等的。
7.如權利要求1所述的設備，其中，所述第一光程長度(OPl)乘以相對於所述第一材料中的波長的群速度色散與所述第二光程長度(0P》乘以相對於所述第二材料中的波長的群速度色散被平衡，從而使得所述第一和第二子脈衝(11、1幻的最寬脈衝寬度相對於所述第一和第二子脈衝的最小脈衝寬度的比率在因子2、1.6、1.3或1. 1內。
8.一種用於對對象(8)進行成像的光學系統(10)，所述系統包括 -脈衝照射源O)，其適於發射具有中心波長(λ)的照射脈衝，-如權利要求1所述的脈衝分裂器(5)，以及 -光學探測器(4)，其能夠探測來自所述對象的反射輻射。
9.如權利要求8所述的光學系統，還包括具有一對光學部件(Ρ1、Ρ2)的第一色散補償單元，以及高階色散補償設備010)，該設備適於與布置成通過在空間上分離不同的波長來補償一階色散的所述對光學部件(Ρ1、Ρ》協作，所述補償設備具有相位板的形式，其中，通過對所述板的對應位置處的高度進行設計來調節針對每個波長的相位變化，從而基本補償高階色散。
10. 一種用於對對象執行光學成像的方法，所述方法包括-提供脈衝分裂設備(5)，其適於從脈衝照射源( 接收具有中心波長(λ)的照射脈衝(10)並且針對每個輸入照射脈衝輸出多個子脈衝(11、12、15、17)，所述脈衝分裂器包括具有第一材料0 )的第一區域(1 以及具有第二材料(Hl1)的第二區域(23)，所述第一材料具有第一折射率00，所述第二材料具有第二折射率(rO ；以及-將所接收的照射脈衝和所述脈衝分裂器( 配置為相互作用，從而使得至少第一和第二子脈衝(11、1 分別被所述第一區域中的第一光程長度(OPl)和所述第二區域中的第二光程長度(0P》在時間上分離，其中，所述第一光程長度(OPl)乘以相對於所述第一材料中的波長的群速度色散 (GVDl)與所述第二光程長度(OP》乘以相對於所述第二材料中的波長的群速度色散 (GVD2)被平衡，從而使得所述第一和第二子脈衝(11、1幻的色散展寬基本相等。
全文摘要
本發明涉及一種脈衝分裂設備(5)，其適於從脈衝照射源(2)接收具有中心波長(λ)的照射脈衝(10)並且針對每個輸入照射脈衝輸出多個子脈衝(11、12、15、17)。所接收的照射脈衝和脈衝分裂器(5)相互作用，從而使得第一和第二子脈衝(11、12)分別被第一區域中的第一光程長度(OP1)和第二區域中的第二光程長度(OP2)在時間上分離。第一光程長度(OP1)乘以相對於第一材料中的波長的群速度色散(GVD1)與第二光程長度(OP2)乘以相對於第二材料中的波長的群速度色散(GVD2)被平衡，從而使得第一和第二子脈衝(11、12)的色散展寬基本相等。這有助於改進兩個子脈衝的後續色散補償。
文檔編號G02B27/12GK102511115SQ201080042557
公開日2012年6月20日 申請日期2010年9月15日 優先權日2009年9月24日
發明者G·T·霍夫特, J·J·L·霍裡克斯 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司