阅读说明：本技术 一种基于透明介质微球的超分辨多色激光扫描光纤探针及其制作方法 (Super-resolution multi-color laser scanning optical fiber probe based on transparent medium microspheres and manufacturing method thereof ) 是由 王宏达 邵丽娜 石岩 蔡明军 初宏亮 曹自然 于 2019-09-26 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种基于透明介质微球的超分辨多色激光扫描光纤探针以及制作方法。该探针包括多色空间激光-光纤主动耦合稳束系统和透明介质微球；该系统采用多色空间激光-光纤主动耦合稳束系统将多色空间激光汇聚成一束光,耦合进入第一光纤端口；然后采用基于透明介质微球的扫描光纤探针制作装置将透明介质微球放置并固定在第二光纤端口的芯径中心上,多色激光耦合进入第一光纤端口,通过光纤将多色激光传递到第二光纤端口处,经过透明介质微球后产生超分辨聚焦光斑。本发明的光纤探针,具有灵活、简单、稳定以及抑制杂散光等特点,解决了基于微球的超分辨率成像系统微球难操纵问题,为实现微球高速超分辨系统的二维或三维扫描成像提供了一种方法。(The invention provides a super-resolution multi-color laser scanning fiber probe based on transparent medium microspheres and a manufacturing method thereof. The probe comprises a multicolor space laser-optical fiber active coupling beam stabilizing system and transparent medium microspheres; the system adopts a multicolor space laser-optical fiber active coupling beam stabilizing system to converge multicolor space laser into a beam of light, and the beam of light is coupled into a first optical fiber port; and then, a scanning optical fiber probe manufacturing device based on the transparent medium microspheres is adopted to place and fix the transparent medium microspheres on the core diameter center of a second optical fiber port, the multi-color laser is coupled to enter the first optical fiber port, the multi-color laser is transmitted to the second optical fiber port through the optical fiber, and super-resolution focusing light spots are generated after passing through the transparent medium microspheres. The optical fiber probe has the characteristics of flexibility, simplicity, stability, stray light inhibition and the like, solves the problem that the microspheres of a microsphere-based super-resolution imaging system are difficult to operate, and provides a method for realizing two-dimensional or three-dimensional scanning imaging of a microsphere high-speed super-resolution system.)

一种基于透明介质微球的超分辨多色激光扫描光纤探针及其 制作方法

技术领域

本发明涉及微观粒子超分辨显微成像领域，具体涉及一种基于透明介质微球的超分辨多色激光扫描光纤探针及其制作方法。

背景技术

传统光学显微镜由于受远场衍射极限的影响，根据瑞利判据，其分辨率一般不会超过波长的一半。因此，对于可见光成像，传统光学显微镜横向分辨率一般仅为230nm左右。2011年，Wang等报道了微球透镜成像技术，在白光下获得50nm的分辨率。这种简单有效的技术为实时超分辨成像提供了一种新的可能。

目前基于微球的超分辨成像系统主要原理是：将微球单个平铺在观测样本表面，由于光子纳米喷射效应，在微球的背光表面附近以及几倍波长处均产生一个小于衍射极限的聚焦光斑，利用传统显微镜接收样本的反射成像。通过改变激光波长、介质微球的尺寸以及折射率可以实现纳米聚焦光斑的调控和优化。

上述的基于微球的超分辨成像系统存在着一定的缺陷，因为微球不易操纵，因此观测位置随机，视场角较小，同时很难实现二维或三维方向的扫描成像。同时使用白光或者激光直接照射微球，存在严重的背景光问题，成像对比度较低。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的微球不易操纵和抑制背景光的问题，而提供一种基于透明介质微球的超分辨多色激光扫描光纤探针及其制作方法。

本发明首先提供一种基于透明介质微球的超分辨多色激光扫描光纤探针，包括多色空间激光-光纤主动耦合稳束系统和透明介质微球；

所述的多色空间激光-光纤主动耦合稳束系统包括蓝色空间激光器、绿色空间激光器、红色空间激光器、第一半波片、第二半波片、第三半波片、第一电动双轴可移动反射镜、第二电动双轴可移动反射镜、第三电动双轴可移动反射镜、第四电动双轴可移动反射镜、第五电动双轴可移动反射镜、第六电动双轴可移动反射镜、第一偏振分束器、第二偏振分束器、第三偏振分束器、第一四象限光电探测器、第二四象限光电探测器、第三四象限光电探测器、第一二向色镜、第二二向色镜、第三二向色镜、声光调制器、消色差耦合透镜、高精度三维位移台、第一光纤端口和第二光纤端口；

所述的蓝色空间激光器、绿色空间激光器和红色空间激光器出射平行的线偏振激光，分别通过第一半波片、第二半波片以及第三半波片后分别入射到第一电动双轴可移动反射镜和第二电动双轴可移动反射镜、第三电动双轴可移动反射镜和第四电动双轴可移动反射镜、第五电动双轴可移动反射镜和第六电动双轴可移动反射镜，然后分别到达第一偏振分束器、第二偏振分束器和第三偏振分束器，第一偏振分束器、第二偏振分束器和第三偏振分束器将蓝色空间激光器、绿色空间激光器和红色空间激光器分别进行分束成两部分，一部分光分别进入第一四象限光电探测器、第二四象限光电探测器以及第三四象限光电探测器；另一部分光分别入射到第一二向色镜、第二二向色镜以及第三二向色镜，经过第一二向色镜、第二二向色镜以及第三二向色镜的实现合束，合束的激光一并入射到声光调制器中，然后进入消色差耦合透镜内，消色差耦合透镜将平行光进行汇聚，所述的消色差耦合透镜固定在高精度三维位移台上，通过调节高精度三维位移台来实现对合束激光耦合进入第一光纤端口中，第一光纤端口通过光纤将合束激光传递进入第二光纤端口；

所述的透明介质微球固定在第二光纤端口的芯径上。

优选的是，所述的蓝色空间激光器包含激光波长范围为400～492nm；绿色空间激光器包含激光波长范围为492～597nm；红色空间激光器包含激光波长范围为597～1100nm。

优选的是，所述的光纤是单模光纤或多模光纤，单模光纤光纤芯径范围为4～10微米，多模光纤芯径范围为10～100微米。

优选的是，所述的透明介质微球尺寸为1～200微米。

本发明还提供一种基于透明介质微球的超分辨多色激光扫描光纤探针的制作方法，包括：

步骤一、搭建多色空间激光-光纤主动耦合稳束系统；

步骤二、利用自主装技术将透明介质微球溶液形成透明介质微球单层膜，然后放在玻璃基板上，将第二光纤端口固定在数字显微镜操作台上，使用三维可调微操作机械左手固定第一微管夹持器，第一微管夹持器上的第一微管吸附玻璃基板上的透明介质微球，并将透明介质微球放置在第二光纤端口的中心上部，然后通过三维可调微操作手机械右手上固定的第二微管夹持器上的第二微管吸附紫外光固化光学粘合剂，将紫外光固化光学粘合剂放置到第二光纤端口纤芯周围石英界面上，在数字显微镜下，使用紫外线光源进行照射，将透明介质微球固定在第二光纤端口的芯径上，获得基于透明介质微球的超分辨多色激光扫描光纤探针。

优选的是，所述的透明介质微球溶液是将透明介质微球材料稀释于乙醇溶液里，并用超声仪进行超声后得到。

优选的是，所述的透明介质微球材料包括石英、聚苯乙烯或钛酸钡。

优选的是，所述的第一微管夹持器上的第一微管与显微注射仪控制箱连接，显微注射仪控制箱对第一微管产生正或负压强。

优选的是，所述的第一微管吸附透明介质微球的负压强大小为10～30hPa。

优选的是，所述的紫外线光源的表面功率密度为30mw/cm²～50mw/cm²，曝光时间为两分钟。

本发明的有益效果

本发明提供一种基于透明介质微球的超分辨多色激光扫描光纤探针以及制作方法，该探针包括多色空间激光-光纤主动耦合稳束系统和透明介质微球，所述的多色空间激光-光纤主动耦合稳束系统是将多色激光空间激光耦合进入光纤，采用两个高精度电动双轴可移动反射镜构成高精度电动双轴可移动反射镜组，与四象限光电探测器构成闭环控制系统，自动高精度调节激光光斑位置，实现对色空间激光-光纤耦合系统的主动光束稳定控制和高精度调节；采用半波片和偏振分束器来构成比例分束器，通过旋转半波片来实现不同比例的激光能量的分配，分别用于入射到四象限光电探测器实现激光光斑位置探测支路和进入光纤耦合支路；利用二向色镜将多色激光进行合束，合束的激光一并入射到声光调制器中，然后进入消色差耦合透镜内，消色差耦合透镜将平行光进行汇聚，消色差耦合透镜固定在高精度三维位移台上，通过精密调节高精度三维位移台来实现对合束激光耦合进入第一光纤端口中，然后经过光纤传递进入第二光纤端口。

和现有技术相对比，本发明可以应用于二维和三维扫描光学显微镜，降低杂散光，提高对比度；基于透明介质微球的超分辨扫描光纤探针可以形成超衍射极限的聚焦光斑，可以作为纳米光刻或纳米传感提供光源。采用基于透明介质微球的超分辨多色激光扫描光纤探针，一个探针可以满足对不同波长的需求，可以满足生命科学领域对标记生物样品实现具有特异性的超分辨荧光成像。本发明的一种基于透明介质微球的超分辨多色激光扫描光纤探针以及制作方法能用于研究生物超分辨成像、纳米光刻以及纳米传感等诸多领域。

附图说明

图1为本发明基于透明介质微球的超分辨多色激光扫描光纤探针的结构示意图；

图2为本发明固定有透明介质微球的第二光纤端口放大图；

图3为本发明在光学显微镜下的自主装技术产生的透明介质微球单层膜图像；

图4为本发明基于透明介质微球的超分辨多色激光扫描光纤探针在制作过程中的显微镜微操作装置示意图；

图中，1、蓝色空间激光器，2、绿色空间激光器，3、红色空间激光器，4、第一半波片，5、第二半波片，6、第三半波片，7、第一电动双轴可移动反射镜，8、第二电动双轴可移动反射镜，9、第三电动双轴可移动反射镜，10、第四电动双轴可移动反射镜，11、第五电动双轴可移动反射镜，12、第六电动双轴可移动反射镜，13、第一偏振分束器，14、第二偏振分束器，15、第三偏振分束器，16、第一四象限光电探测器，17、第二四象限光电探测器，18、第三四象限光电探测器，19、第一二向色镜，20、第二二向色镜，21、第三二向色镜，22、声光调制器，23、消色差耦合透镜，24、高精度三维位移台，25、第一光纤端口，26、第二光纤端口，27、透明介质微球单层膜，28、玻璃基板，29、数字显微镜操作台，30、三维可调微操作机械左手，31、第一微管夹持器，32、透明介质微球，33、三维可调微操作手机械右手，34、第二微管夹持器，35、紫外光固化光学粘合剂，36、数字显微镜。

具体实施方式

本发明首先提供一种基于透明介质微球的超分辨多色激光扫描光纤探针，如图1-2所示，包括多色空间激光-光纤主动耦合稳束系统和透明介质微球32；

所述的多色空间激光-光纤主动耦合稳束系统包括蓝色空间激光器1、绿色空间激光器2、红色空间激光器3、第一半波片4、第二半波片5、第三半波片6、第一电动双轴可移动反射镜7、第二电动双轴可移动反射镜8、第三电动双轴可移动反射镜9、第四电动双轴可移动反射镜10、第五电动双轴可移动反射镜11、第六电动双轴可移动反射镜12、第一偏振分束器13、第二偏振分束器14、第三偏振分束器15、第一四象限光电探测器16、第二四象限光电探测器17、第三四象限光电探测器18、第一二向色镜19、第二二向色镜20、第三二向色镜21、声光调制器22、消色差耦合透镜23、高精度三维位移台24、第一光纤端口25和第二光纤端口26；

所述的蓝色空间激光器1、绿色空间激光器2和红色空间激光器3出射平行的线偏振激光，分别通过第一半波片4、第二半波片5以及第三半波片6后分别入射到第一电动双轴可移动反射镜7和第二电动双轴可移动反射镜8、第三电动双轴可移动反射镜9和第四电动双轴可移动反射镜10、第五电动双轴可移动反射镜11和第六电动双轴可移动反射镜12，然后分别到达第一偏振分束器13、第二偏振分束器14和第三偏振分束器15，第一偏振分束器13、第二偏振分束器14和第三偏振分束器15将蓝色空间激光器1、绿色空间激光器2和红色空间激光器3分别进行分束成两部分，一部分光分别进入第一四象限光电探测器16、第二四象限光电探测器17以及第三四象限光电探测器18；另一部分光分别入射到第一二向色镜19、第二二向色镜20以及第三二向色镜21，经过第一二向色镜19、第二二向色镜20以及第三二向色镜21的实现合束，合束的激光一并入射到声光调制器22中，然后进入消色差耦合透镜23内，消色差耦合透镜23将平行光进行汇聚，所述的消色差耦合透镜23固定在高精度三维位移台24上，通过调节高精度三维位移台24来实现对合束激光耦合进入第一光纤端口25中，第一光纤端口25通过光纤将合束激光传递进入第二光纤端26口；

所述的透明介质微球32固定在第二光纤端口26的芯径上。

本发明还提供一种基于透明介质微球的超分辨多色激光扫描光纤探针的制作方法，如图3-4所示，该方法主要包括两个步骤：首先搭建多色空间激光-光纤主动耦合稳束系统，将多色激光空间激光耦合进入光纤；其次采用显微镜微操作系统将单个透明介质微球固定在光纤上，具体如下

步骤一、搭建多色空间激光-光纤主动耦合稳束系统：蓝色空间激光器1、绿色空间激光器2以及红色空间激光器3出射平行的线偏振激光，分别通过第一半波片4、第二半波片5以及第三半波片6后分别入射到第一电动双轴可移动反射镜7和第二电动双轴可移动反射镜8、第三电动双轴可移动反射镜9和第四电动双轴可移动反射镜10、第五电动双轴可移动反射镜11和第六电动双轴可移动反射镜12，然后分别到达第一偏振分束器13、第二偏振分束器14以及第三偏振分束器15，第一偏振分束器13、第二偏振分束器14以及第三偏振分束器15将蓝色空间激光器1、绿色空间激光器2以及红色空间激光器3分别进行分束成两部分，一部分光分别进入第一四象限光电探测器16、第二四象限光电探测器17以及第三四象限光电探测器18；另一部分光分别入射到第一二向色镜19、第二二向色镜20以及第三二向色镜21，经过第一二向色镜19、第二二向色镜20以及第三二向色镜21的实现合束，合束的激光一并入射到声光调制器22中，然后进入消色差耦合透镜23内，消色差耦合透镜23将平行光进行汇聚，消色差耦合透镜23固定在高精度三维位移台24上，通过精密调节高精度三维位移台24来实现对合束激光耦合进入第一光纤端口25中，第一光纤端口25通过光纤将合束激光传递进入第二光纤端口26；

步骤二：将微量透明介质微球溶液滴入装有表面活性剂溶液的容器内，静置十个小时以上，透明介质微球将会自主装成透明介质微球单层膜27，然后取清洁并进行亲水处理后的玻璃基板倾斜大约30°***液面下，慢慢向上提拉，透明介质微球单层膜27将转移到玻璃基板28上如图3所示；所述的透明介质微球可以单个透明介质微球也可以是透明介质微球阵列；透明介质微球尺寸范围在1～200微米；

然后将第二光纤端口26固定在数字显微镜的操作台29上，如图3所示，使用三维可调微操作机械左手30固定第一微管夹持器31，第一微管夹持器31夹持第一微管，第一微管与显微注射仪控制箱连接，显微注射仪控制箱可对第一微管产生正或负压强，第一微管利用负压吸附玻璃基板28上的一个透明介质微球32，并操纵微操作机械左手30将微球放置在第二光纤端口26中心上部，然后三维可调微操作手机械右手33上固定的第二微管夹持器34，第二微管夹持器34夹持第二微管，第二微管吸附少量的紫外光固化光学粘合剂35，并将紫外光固化光学粘合剂35放置到第二光纤端口26纤芯周围石英界面上，调控微操作机械左手30上固定的第一微管的压强变成零值，第一微管吸附的透明介质微球32被放置到第二光纤端口26的纤芯上，在数字显微镜36下，使用紫外线光源进行照射进行固化，获得基于透明介质微球的超分辨多色激光扫描光纤探针。

上述的步骤一中，蓝色空间激光器1包含激光波长范围为400～492nm；绿色空间激光器2包含激光波长范围为492～597nm；红色空间激光器3包含激光波长范围为597～1100nm；

上述的步骤一中，第一半波片4、第二半波片5以及第三半波片6的作用是改变蓝色空间激光器1、绿色空间激光器2以及红色空间激光器3的出射激光的线偏振角度，使三束激光的偏振角度一致，耦合效率达到最高；

上述的步骤一中，第一电动双轴可移动反射镜7和第二电动双轴可移动反射镜8，第三电动双轴可移动反射镜9和第四电动双轴可移动反射镜10，第四电动双轴可移动反射镜11和第六电动双轴可移动反射镜12分别作为反射镜组，每一个反射镜组可以实现对激光的高精度角度调节和位置调节。其中角度调节包括俯仰角度和扭摆角度调节，位置调节包括水平方向和垂直方向调节；

上述的步骤一中，第一四象限光电探测器16、第二四象限光电探测器17以及第三四象限光电探测器18的四象限激光强度的变化分别反映蓝色空间激光器1、绿色空间激光器2以及红色空间激光器3的位置偏差。四象限光电探测器上的四象限激光强度分别记录为A、B、C、D。上下偏移量可表示为(A+B)-(C+D)，左右偏移量可表示为(A+D)-(B+C)。第一四象限光电探测器16、第二四象限光电探测器17以及第三四象限光电探测器18分别与第一电动双轴可移动反射镜7和第二电动双轴可移动反射镜8，第三电动双轴可移动反射镜9和第四电动双轴可移动反射镜10，第四电动双轴可移动反射镜11和第六电动双轴可移动反射镜12的反射镜组构成闭环控制；

上述的步骤一中，第一二向色镜19、第二二向色镜20以及第三二向色镜21分别为长波通滤光片，且滤光片的截止波长大小关系为第一二向色镜19<第二二向色镜20<第三二向色镜21；

上述的步骤一中，消色差耦合透镜23的数值口径要求与第一光纤端口25的数值口径相匹配；

上述的步骤一中，所述的光纤可以是单模光纤和多模光纤，单模光纤光纤芯径范围为4～10微米，多模光纤芯径范围为10～100微米。

上述的步骤二中，所述的透明介质微球溶液是将透明介质微球按照体积比1:1稀释于乙醇溶液里，并用超声仪进行超声10分钟后得到混合溶液。

上述的步骤二中，所述的透明介质微球优选包括石英、聚苯乙烯或钛酸钡。

上述的步骤二中，将玻璃基片28移入硫酸与双氧水按照体积比为3:1混合溶液中，浸泡半个小时以上，然后用超纯水清洗去除残留物质。

上述的步骤二中，所述的第一微管夹持器31上的第一微管吸附透明介质微球32的负压强大小为10～30hPa。

上述的步骤二中，所述的紫外线光源的表面功率密度为30mw/cm²～50mw/cm²，曝光时间为两分钟。