專利名稱：具有色散補償?shù)拿}沖分裂器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有色散補償?shù)拿}沖分裂器，該脈沖分裂器特別適用于非線性光學(xué)成像，尤其是多光子顯微術(shù)。本發(fā)明還涉及對應(yīng)的光學(xué)成像系統(tǒng)和對應(yīng)的成像方法。
背景技術(shù)：
多光子顯微術(shù)是一種為了研究生物組織而良好建立的技術(shù)。與共焦熒光顯微術(shù)相比，其優(yōu)勢在于它具有在諸如組織的渾濁介質(zhì)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于兩個光子激勵的熒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的重復(fù)率的常規(guī)激光系統(tǒng)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。因此脈沖能量應(yīng)該被限制到低于lnj。然而，可用的激光系統(tǒng)表現(xiàn)出大得多的平均功率并因此表現(xiàn)出大得多的脈沖能量?？梢詢?yōu)選在不損失能量的情況下通過將每個脈沖分裂成具有相同能量的一組等距脈沖來使用過剩的能量。通過將重復(fù)率加速N倍，一般可以
使信號強度增加N倍，
使數(shù)據(jù)采集速度增加N倍，或
降低光損傷概率，或
其任何組合。
存在針對脈沖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(yīng)用一堆平行標準具的所謂的光列(optical rattler)。
新近的單塊脈沖分裂器已經(jīng)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(yīng)的美國專禾丨J申請US 2009/0067458，其中一種裝置包括脈沖激光源、無源脈沖分裂器、樣品和探測器，該脈沖激光源以一輸入重復(fù)率和一輸入脈沖功率產(chǎn)生脈沖激光束，該無源脈沖分裂器(具有以50% 束分裂器分界的兩種不同材料)接收脈沖激光束并且輸出包括針對脈沖激光束的每個輸入脈沖的多個子脈沖的信號。輸出信號具有高于輸入重復(fù)率的重復(fù)率，并且每個子脈沖的功率小于輸入脈沖功率。
Na Ji等人的脈沖分裂器的本質(zhì)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，當超短脈沖行進穿過介質(zhì)時，構(gòu)成該脈沖的所有光學(xué)頻率并不都具有相同的速度。 因此，該脈沖將被展寬。這種展寬效應(yīng)對于行進穿過兩種材料一介質(zhì)1和介質(zhì)0—的各波束是不同的。在脈沖分裂器的輸出端上，脈沖被混合，從而導(dǎo)致交替地更多和更少展寬的脈沖。Na Ji等人提出使用低色散材料——例如空氣和硅來降低群速度色散，但是這將僅降低色散而不是將其消除，并且這一色散也將對子脈沖數(shù)目N和可用內(nèi)部成對脈沖間隔時間4At設(shè)置局限。
因此，一種改進的脈沖分裂器設(shè)備可能是有利的，特別地，更高效和/或可靠的設(shè)備可能是有利的。發(fā)明內(nèi)容
實現(xiàn)一種改進的脈沖分裂器是有利的?？傮w上，本發(fā)明優(yōu)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(fā)明的目的的是提供一種脈沖分裂器設(shè)備，其解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述問題或其他問題。特別是關(guān)于色散的問題。
該目的和若干其他目的在本發(fā)明的第一方面通過以下方式獲得，即提供一種脈沖分裂設(shè)備，其適于從相關(guān)聯(lián)的脈沖照射源接收具有中心波長(λ)的照射脈沖并且針對每個輸入照射脈沖輸出多個子脈沖，
所述脈沖分裂器包括
具有第一材料(Hitl)的第一區(qū)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(qū)域，所述第二材料具有第二折射率(Ii1)；
其中，所接收的照射脈沖和脈沖分裂器被配置為相互作用，從而使得至少第一和第二子脈沖分別被所述第一區(qū)域中的第一光程長度(OPl)和所述第二區(qū)域中的第二光程長度(0Ρ2)在時間上分離，并且
其中，第一光程長度(OPl)乘以相對于第一材料中的波長的群速度色散(GVDl)與第二光程長度(0Ρ》乘以相對于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沖的色散展寬基本相等。
本發(fā)明特別地但非排外地有利于獲得一種脈沖分裂器，其中第一和第二子脈沖的色散展寬是基本相同的。值得注意的事實是，本發(fā)明獲得子脈沖的基本相同的展寬是因為 為了所謂的線性調(diào)頻(chirp)的后續(xù)色散補償，各種標準技術(shù)于是可以被用于補償這一色散，例如一對光柵或一組線性調(diào)頻的反射鏡，或者超快光學(xué)領(lǐng)域中的其他眾所周知的技術(shù)。
還應(yīng)該注意，第一光程長度(OPl)乘以相對于第一材料中的波長的群速度色散 (GVDl)與第二光程長度(OP》乘以相對于第二材料中的波長的群速度色散(GVM)之間的平衡對于致力于設(shè)計脈沖分裂器的技術(shù)人員來說并不是直觀的選擇，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(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)和原理的相關(guān)設(shè)計考慮的一部分。
在本發(fā)明的背景下，術(shù)語“脈沖照射源”被認為包括但不局限于適用于非線性光學(xué)成像技術(shù)領(lǐng)域中的多光子顯微術(shù)的脈沖激光器，例如具有80MHz或更高重復(fù)率的Ti-藍寶石激光器，或者具有20MHz或更高重復(fù)率的光纖激光器。
在本發(fā)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(fā)明的脈沖分裂設(shè)備的特殊之處在于第一和第二子脈沖被脈沖分裂設(shè)備在時間上分離，即它們在時域是分離的，但是它們在離開脈沖分裂設(shè)備之后在基本相同的空間方向上傳播。然而，當?shù)谝缓偷诙用}沖在脈沖分裂器內(nèi)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(qū)域和第二區(qū)域包括由第一材料和第二材料形成的公共界面，并且優(yōu)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(yōu)選地，所述公共界面可以是基本為平面的界面，該公共界面還位于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沖。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(nèi)反射可以執(zhí)行該反射。該公共界面可以優(yōu)選平行于所述反射表面。
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(dǎo)數(shù)來近似相對于第一和/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(yīng)變得越來越重要，原始脈沖寬度越小， 即頻譜容量越寬。所述二階導(dǎo)數(shù)可以從標準表格中檢索出來，即所謂的材料的“M常數(shù)”。
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沖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(yōu)選地，所述色散展寬在由相關(guān)聯(lián)的照射源的可調(diào)中心波長范圍限定的波長間隔內(nèi)是基本相等的。因此例如該范圍可以是Ti 藍寶石激光器的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(yù)期的。替代地，可預(yù)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)乘以相對于第一材料中的波長的群速度色散與第二光程長度(0P》乘以相對于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沖的最寬脈沖寬度相對于第一和第二子脈沖的最小脈沖寬度的比率在因子2、 1. 6、1. 3或1. 1內(nèi)。該寬度可以被測量為例如Gaussian類型波束的半高寬(FWHM)。無論脈沖寬度的定義如何，其對于第一和第二子脈沖應(yīng)該是相同的，并且本發(fā)明的結(jié)果是由脈沖分裂設(shè)備導(dǎo)致的展寬基本相同。
在第二方面，本發(fā)明涉及一種用于對對象進行成像的光學(xué)系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括
-脈沖照射源，其適于發(fā)射具有中心波長(λ)的照射脈沖，
-如第一方面所述的脈沖分裂器，以及
-光學(xué)探測器，其能夠探測來自所述對象的反射輻射。
因此，本發(fā)明可以結(jié)合諸如飛秒激光、多光子顯微術(shù)、共焦顯微術(shù)等的各種光學(xué)成像技術(shù)來實現(xiàn)。
優(yōu)選地，該光學(xué)系統(tǒng)可以還包括具有一對光學(xué)部件(Pl、Ρ2)的第一色散補償單元以及高階色散補償設(shè)備010)，所述設(shè)備適于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(xué)部件(Ρ1、Ρ》協(xié)作，所述補償設(shè)備具有相位板的形式，其中，通過對所述板的對應(yīng)位置處的高度進行設(shè)計來調(diào)節(jié)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(fā)明涉及一種用于對對象執(zhí)行光學(xué)成像的方法，所述方法包括
-提供脈沖分裂設(shè)備，其適于從脈沖照射源接收具有中心波長(λ)的照射脈沖并且針對每個輸入照射脈沖輸出多個子脈沖，所述脈沖分裂器包括具有第一材料(Hlci)的第一區(qū)域以及具有第二材料(Hl1)的第二區(qū)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
-將所接收的照射脈沖和脈沖分裂器配置為相互作用，從而使得至少第一和第二子脈沖分別被所述第一區(qū)域中的第一光程長度(OPl)和所述第二區(qū)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)乘以相對于第一材料中的波長的群速度色散(GVDl)與第二光程長度(0P》乘以相對于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沖的色散展寬基本相等。
總體上，本發(fā)明的各個方面可以以本發(fā)明的范圍內(nèi)的任何可能的方式進行組合和耦合。通過參考此后描述的實施例，本發(fā)明的這些及其他方面、特征和/或優(yōu)勢將變得明顯并且得以闡明。
參考附圖，僅作為示例來描述本發(fā)明的實施例，在附圖中
圖1是根據(jù)本發(fā)明的用于對對象進行光學(xué)成像的系統(tǒng)的示意圖2是根據(jù)本發(fā)明的脈沖分裂設(shè)備的示意圖3是根據(jù)本發(fā)明的脈沖分裂設(shè)備的另一示意圖4是根據(jù)本發(fā)明的脈沖分裂設(shè)備的又一示意圖，其示出處于堆疊配置的多種材料；
圖5是適用于找到將應(yīng)用于本發(fā)明的成對材料的圖表；
圖6是對于實現(xiàn)本發(fā)明有用的色散補償設(shè)備的示意圖；以及
圖7是根據(jù)本發(fā)明的方法的流程圖。
具體實施方式
圖1是根據(jù)本發(fā)明的用于對例如組織的對象8進行光學(xué)成像的系統(tǒng)1的示意圖。 系統(tǒng)1包括適于發(fā)射具有中心波長λ的照射脈沖的脈沖照射源2。根據(jù)本發(fā)明，該源2被與脈沖分裂器5光學(xué)連接，即通過反射鏡3或類似設(shè)備。在脈沖分裂設(shè)備5之后，子脈沖 (該圖中未示出)被傳輸穿過色散補償設(shè)備6 (參見下面的圖6)并且經(jīng)由例如聚焦透鏡和 /或?qū)Ч鼙鄣牟倏v光學(xué)器件7照射到對象8上。然后，從對象8反射的輻射(用雙箭頭示意性指示)被適當?shù)墓鈱W(xué)探測器4探測到，該光學(xué)探測器能夠探測來自所述對象8的反射輻射。特別地，本發(fā)明對于各種生物組織的多光子顯微術(shù)中利用飛秒激光的應(yīng)用來說是有利的，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員也很容易想到其他應(yīng)用，例如用于(生物)醫(yī)學(xué)成像的緊湊光纖掃描器。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的脈沖分裂設(shè)備5的示意圖，脈沖分裂設(shè)備5適于從相關(guān)聯(lián)的脈沖照射源2接收具有中心波長(λ)的照射脈沖并且針對每個輸入照射脈沖輸出多個子脈沖11和12。
該脈沖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(qū)域以及具有具有第二折射率Il1的第二材料Hl1的第二區(qū)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(qū)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(yōu)選是50%半透明的反射鏡或者用于將脈沖10分裂成兩個子脈沖的類似設(shè)備。
所接收的照射脈沖和脈沖分裂器5被配置為相互作用，從而使得至少第一子脈沖 11和第二子脈沖12分別被第一區(qū)域中的第一光程長度OPl和第二區(qū)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(nèi)部成對脈沖間隔時間At。對于這一時間分離的更多細節(jié)，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以參考美國專利申請US 2009/0067458，其通過引用整體合并于此。
本發(fā)明的特殊之處在于第一光程長度OPl乘以相對于第一材料中的波長的群速度色散GVDl與第二光程長度0P2乘以相對于第二材料中的波長的群速度色散GVD2被平衡，從而使得第一子脈沖10和第二子脈沖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(yīng)該滿足的約束條件。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的脈沖分裂設(shè)備5的另一示意圖。該圖中的設(shè)備類似于圖2中的設(shè)備，但是在此通過由界面9分離的第一區(qū)域13和第二區(qū)域23來具體實現(xiàn)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反射子脈沖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，子脈沖14和15都將被分成兩個進一步的子脈沖，從而導(dǎo)致一個上分支的時間上分離的子脈沖11和12以及下分支的時間上分離的子脈沖15和17，如圖3中示意性指示的。在每個分支中，這些子脈沖是空間上重疊的，以便有利于如圖1中指示地對子脈沖進行進一步光學(xué)處理。
可以看出，如果脈沖10的入射角Qtl滿足下面的條件，則以相同方向出射的子脈沖11和12將在空間上重疊
權(quán)利要求
1.一種脈沖分裂設(shè)備(5)，其適于從相關(guān)聯(lián)的脈沖照射源( 接收具有中心波長(λ) 的照射脈沖(10)并且針對每個輸入照射脈沖輸出多個子脈沖(11、12、15、17)，所述脈沖分裂器包括具有第一材料0 )的第一區(qū)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(qū)域(23)，所述第二材料具有第二折射率(Ii1)； 其中，所接收的照射脈沖和所述脈沖分裂器(5)被配置為相互作用，從而使得至少第一和第二子脈沖(11、1 分別被所述第一區(qū)域中的第一光程長度(OPl)和所述第二區(qū)域中的第二光程長度(0P2)在時間上分離，并且其中，所述第一光程長度(OPl)乘以相對于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》乘以相對于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沖(11、1幻的色散展寬基本相等。
2.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述第一區(qū)域(1 和所述第二區(qū)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(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中，所述公共界面(9)是基本為平面的界面，所述公共界面位于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沖。
4.如權(quán)利要求1或3所述的設(shè)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(dǎo)數(shù)來近似相對于所述第一材料和/或所述第二材料中的波長的群速度色散。
5.如權(quán)利要求3或4所述的設(shè)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(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述色散展寬在由所述相關(guān)聯(lián)的照射源的可調(diào)中心波長范圍限定的波長間隔內(nèi)是基本相等的。
7.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述第一光程長度(OPl)乘以相對于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》乘以相對于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沖(11、1幻的最寬脈沖寬度相對于所述第一和第二子脈沖的最小脈沖寬度的比率在因子2、1.6、1.3或1. 1內(nèi)。
8.一種用于對對象(8)進行成像的光學(xué)系統(tǒng)(10)，所述系統(tǒng)包括 -脈沖照射源O)，其適于發(fā)射具有中心波長(λ)的照射脈沖，-如權(quán)利要求1所述的脈沖分裂器(5)，以及 -光學(xué)探測器(4)，其能夠探測來自所述對象的反射輻射。
9.如權(quán)利要求8所述的光學(xué)系統(tǒng)，還包括具有一對光學(xué)部件(Ρ1、Ρ2)的第一色散補償單元，以及高階色散補償設(shè)備010)，該設(shè)備適于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(xué)部件(Ρ1、Ρ》協(xié)作，所述補償設(shè)備具有相位板的形式，其中，通過對所述板的對應(yīng)位置處的高度進行設(shè)計來調(diào)節(jié)針對每個波長的相位變化，從而基本補償高階色散。
10. 一種用于對對象執(zhí)行光學(xué)成像的方法，所述方法包括-提供脈沖分裂設(shè)備(5)，其適于從脈沖照射源( 接收具有中心波長(λ)的照射脈沖(10)并且針對每個輸入照射脈沖輸出多個子脈沖(11、12、15、17)，所述脈沖分裂器包括具有第一材料0 )的第一區(qū)域(1 以及具有第二材料(Hl1)的第二區(qū)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-將所接收的照射脈沖和所述脈沖分裂器( 配置為相互作用，從而使得至少第一和第二子脈沖(11、1 分別被所述第一區(qū)域中的第一光程長度(OPl)和所述第二區(qū)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)乘以相對于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》乘以相對于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沖(11、1幻的色散展寬基本相等。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種脈沖分裂設(shè)備(5)，其適于從脈沖照射源(2)接收具有中心波長(λ)的照射脈沖(10)并且針對每個輸入照射脈沖輸出多個子脈沖(11、12、15、17)。所接收的照射脈沖和脈沖分裂器(5)相互作用，從而使得第一和第二子脈沖(11、12)分別被第一區(qū)域中的第一光程長度(OP1)和第二區(qū)域中的第二光程長度(OP2)在時間上分離。第一光程長度(OP1)乘以相對于第一材料中的波長的群速度色散(GVD1)與第二光程長度(OP2)乘以相對于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沖(11、12)的色散展寬基本相等。這有助于改進兩個子脈沖的后續(xù)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(yōu)先權(quán)日2009年9月24日
發(fā)明者G·T·霍夫特, J·J·L·霍里克斯 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司