[发明专利]基于单光纤光镊的STED超分辨显微成像装置

权利要求书

1.基于单光纤光镊的STED超分辨显微成像装置，其特征是：它由用于STED成像的激发光激光器(101)和损耗光激光器(102)、延时单元(2)、光束生成器(3)、STED成像显示仪(4)、用于操控微球透镜的捕获光激光器(5)、光功率控制模块(6)、反馈控制模块(7)、对光功率进行调节的计算机(8)、一个1×6光纤耦合器(9)、两个1×2宽带光纤耦合器(10)以及多根单模光纤组成；所述装置中光束生成器(3)由多芯光纤连接器(11)、多芯光纤(12)、多芯光纤圆锥台纤端(13)和可在纤端上自由滑动的微球透镜(14)构成，该多芯光纤(12)由中央双包层纤芯(1201)、螺旋光栅(1202)、外侧纤芯(1203)、外包层(1204)组成；捕获光激光器(5)输出的捕获光(22)通过多芯光纤连接器(11)输入到多芯光纤(12)的多个外侧纤芯(1203)中，然后捕获光(22)被多芯光纤圆锥台纤端(13)汇聚后形成纤端聚焦光束(23)，该光束稳定地三维捕获住微球透镜(14)，激发光激光器(101)和损耗光激光器(102)可分别发射“激发光”(15)和“损耗光”(16)；一方面，“激发光”(15)注入到多芯光纤(12)后被限制在中央双包层纤芯(1201)中传输，由于“激发光”(15)不会被螺旋光栅(1202)调制，因此直接从光纤端输出后被微球透镜(14)聚焦形成强聚焦激发光(17)，最后作用到荧光样品(20)表面使其发出荧光(18)；另一方面，“损耗光”(16)经过延时单元(2)延时Δτ时间后，注入到多芯光纤(12)的中央双包层纤芯(1201)后被螺旋光栅(1202)所调制，激发产生高阶涡旋模式并在光纤末端输出后被微球透镜(14)聚焦形成强聚焦中空环形损耗光(19)，然后到达荧光样品(20)表面，由于荧光(18)和强聚焦中空环形损耗光(19)的光斑中心完全重合，使得大部分处于荧光(18)光斑外围部分的荧光物质通过光学非线性作用被强行回到基态抑制其发荧光，随着强聚焦中空环形损耗光(19)的光强不断增加，能荧光的光斑越来越小，最终分辨率不再受光的衍射所限制，从而打破衍射极限，形成超分辨荧光成像信号(21)，同时被微球透镜(14)收集到中央双包层纤芯(1201)中，最后超分辨荧光成像信号(21)经过一个1×2宽带光纤耦合器(10)后被STED成像显示仪(4)收集，实现“单点”超分辨显微成像，由于可以通过光功率控制模块(6)独立控制每个外侧纤芯(1203)传输捕获光(22)的功率，从而对出射纤端聚焦光束(23)的空间分布实施调控，实现对微球透镜(14)的捕获点的空间位置的调节，最终实现微球透镜(14)在光纤端面上的二维扫描移动(24)，通过微球透镜(14)的这种二维扫描移动(24)就可实现对强聚焦激发光(17)和强聚焦中空环形损耗光(19)的传输方向Z的改变，最终在荧光样品整个探测区域上实现面扫描，获得“平面”超分辨荧光成像信号。

2.根据权利要求1所述的基于单光纤光镊的STED超分辨显微成像装置，其多芯光纤及多芯光纤圆锥台纤端的制备方法如下：(1)预制棒制备：采用MCVD制棒方法制备外侧纤芯和中央双包层纤芯预制棒插件；(2)微孔加工：根据需要在纯石英预制棒对应位置加工多个微孔，并插入外侧纤芯和中央双包层纤芯预制棒插件，形成中央双包层多芯光纤预制棒；(3)光纤拉制：将制备好的光纤预制棒放置于拉丝塔上进行热熔拉丝，拉制形成中央双包层多芯光纤；(4)圆锥台纤端微加工：第一种方法：用光纤夹具固定住制备好的双包层多芯光纤，然后把纤端放置于研磨盘上，光纤夹具与光纤研磨盘都能绕各自的中轴自转，通过控制光纤与研磨盘盘面法线的夹角来制备具有不同张开角的圆锥台纤端；第二种方法：把光纤放置于光纤拉锥机上，拉制成合适的锥长并在拉锥区域合适位置切割，形成具有弧形锥面的圆锥台纤端。

3.根据权利要求1所述的基于单光纤光镊的STED超分辨显微成像装置，其特征是：所述的外侧纤芯的数量大于等于2，且呈正多边形分布。

4.根据权利要求1所述的基于单光纤光镊的STED超分辨显微成像装置，其特征是：所述的中央双包层纤芯的形状是圆形、三角形、四边形或者其他多边形中的一种。