发明内容

本发明的目的在于提供一种基于多阶光纤模式复用的光纤STED显微镜。

本发明的目的是这样实现的：

它由激发光输入端口1、损耗光输入端口2、荧光输出端口3、多孔毛细管4、扇入扇出拉锥区5、异质多芯光纤6、低折射率套管7、模式转换拉锥区8、低模间串扰少模光纤9、扩束无芯光纤10、特制光纤聚焦透镜11和待测荧光物质12组成，所述系统中激发光输入端口1注入与荧光物质匹配波长的激发光，该激发光经过双包层过渡光纤和多孔毛细管4插孔拉锥制备的扇入扇出拉锥区5，耦合至异质多芯光纤6中的某一纤芯，再经低折射率套管7和异质多芯光纤6组合拉锥成的模式转换拉锥区8，该激发光形成低模间串扰少模光纤9中的LP01基模，经过扩束无芯光纤10后入射至特制光纤聚焦透镜11后聚焦于待测荧光物质12，形成高斯分布的光斑；由损耗光输入端口2输入与荧光物质受激辐射损耗效应匹配波长的损耗光，同样经过扇入扇出拉锥区5和模式转换拉锥区8形成了少模光纤中的LP02模式，该光波经扩束无芯光纤10扩束后入射至特制光纤聚焦透镜11，由于高阶模式的发散角较大，所以LP02模的外环可被透镜边缘单独调制，经过调制后的LP02模式外环与内光斑同时聚焦于待测荧光物质12表面，内外光波聚焦点之间具有π的相位差值，两者干涉构成了中央相干减弱边缘增强的环形光斑；该损耗光的环形光斑抑制物质的荧光激发，而激发光的高斯光斑促进物质的荧光激发，环形光斑和高斯光斑重合的中央会形成一个小型的荧光激发区域，该区域产生的荧光同样会被光纤端接收，被光纤接收到的能量会反向通过整个器件，最终由荧光输出端口3输出至接收器。

下面将详细阐述LP02模式的形成机理、特制光纤聚焦透镜调制LP02模式的方法和荧光通过少模光纤反向传输至输出端口的原理。

光纤模分复用器(或称之为光子灯笼，Photon lantern，PL)是一种光纤束拉锥波导，它通常由多根单模光纤、低折射率多孔毛细管、少模光纤熔接拉锥制成，能将单模光纤中传导的基模转换为锥区末端少模光纤中的各阶模式。本发明专利使用由异质多芯光纤和低折射率套管形成的模式转换拉锥区做为光子灯笼进行模式转换。

模式转换拉锥区前端的异质多芯光纤含有多个不同的纤芯，单个纤芯的导模均为高斯基模。利用光子灯笼可以将异质多芯光纤中的单个光纤导模转换为光纤输出端标量模式，其中具有最大传播常数的纤芯中的模式可转移至少模光纤的LP01基模，具有最低传输常数的纤芯中的模式(当纤芯数量为6时)可转移至少模光纤的LP02模式。其余纤芯则分别对应着光纤的LP11a、LP11b、LP21a、LP21b四个模式，这些模式是两两简并的。

另外模式转换的基本原理为缓变结构中的绝热变换，即在一个形状参数和折射率剖面缓慢变化的光波导中，入射端的某个模式能无损地转换至输出端的某个同阶模式。整个拉锥区满足绝热耦合条件，如下所示

公式中的符号下标j和l分别代表导行基模和其他模式，β为局域模式的传输常数，Ψ为局域模式的归一化电磁场分布，k＝2π/λ为电磁波的波数，z为拉锥结构的轴向坐标，ρ为包层的收缩率，n为锥区的折射率分布函数，A为拉锥结构的横截面。该公式定义了一个与拉锥长度和形状表达式ρ(z)相关的判断条件，它可以衡量模式转换拉锥区的理论性能。

为了使得LP02模式可以在较长距离的少模光纤中无损耗地传输，本发明选择了低模间串扰少模光纤，该光纤可抑制LP01和LP02模式和其他模式的能量耦合，最大限度地保证输出端的这两个模式状态与输入端状态相同。其他模式则因为简并的原因不可避免的存在耦合现象。

特制光纤聚焦透镜的设计也有一些要求，其目的是保证损耗光的LP02模式的外环与内光斑均可聚焦于荧光待测物体表面，且两者相位差为π，使其可形成环形光斑。其加工方法可以是飞秒激光端面雕刻法，在无芯光纤端面不同位置雕刻不同参数的菲涅尔透镜，以形成干涉环形光斑。另外也可以使用增材制造的方法进行加工，例如双光子聚合纳米3D打印机等。

对荧光的收集也是本发明专利的重要创新点，待测荧光物质发出的荧光较为微弱，一般的收集方法为使用高数值孔径的物镜收集，本发明专利利用了成像光纤收集散射光波，通过反向通过整个器件输出至某单模端口。其中散射光波可反向通过器件，经由模式转换拉锥区和扇入扇出过渡区输出至荧光输出端口3，反馈光波中的激发光和损耗光分量可由滤光片去除。

所述的异质多芯光纤的部分纤芯的折射率、直径或折射率剖面类型不同，纤芯数量为N，N为整数，N≥3。

所述的异质多芯光纤中纤芯的折射率剖面是阶跃型、抛物线型、高斯型。

所述的模式转换拉锥区由特殊结构的异质多芯光纤插入低折射率套管中拉锥制成，其拉锥结构满足绝热转换条件，可以将输入端的高斯基模转换为少模光纤中的标量模式，并且两者具有一一对应关系。

所述的异质多芯光纤的包层结构是单包层或者双包层，在模式转换拉锥区末端收缩后的内包层边界形成的光纤结构与后端输出少模光纤实现模场面积与数值孔径的匹配。

所述的异质多芯光纤中纤芯之间存在气孔、小芯径纤芯结构，目的是控制其对称超模与反对称超模在模式转化拉锥区中的相位差值。超模之间的相位差值与纤芯的端面结构有着显著的关系，如果更改纤芯距离、增加纤芯气孔或增加辅助纤芯可使得超模间在锥区的演化不同，其相位差值也不同。

所述的少模光纤是单芯少模或多芯少模光纤，当其为多芯少模光纤时，前端所匹配的模式转换拉锥区、扇入扇出拉锥区、输入输出光纤均使用多份，构成一种阵列型STED显微镜。与传统的光纤束形式的光子灯笼相比，基于异质多芯光纤的光子灯笼增加了集成度和器件的稳定性，使得多芯少模光子灯笼成为可能。否则以七芯六模为例，共计需要将42根不同单模光纤插入低折射率掺氟管中，并且要控制锥角形状，这显然是不可能的，只有使用多根异质多芯光纤并配合扇入扇出器件，才能实现一次拉锥多个光子灯笼的设计构成阵列式STED显微镜系统。

所述的光纤聚焦透镜是球型透镜、光纤端菲涅尔透镜或光纤磨锥透镜，其特点是可将LP02模式的外环和内部光斑同时聚焦于焦平面，且聚焦点处两者相位相反。

与其他类型的光纤STED显微镜相比，本发明提供了一种可自由活动的低模间串扰光纤，该光纤在使用时可以移动、弯曲、扭转，缩小了成像镜头的尺寸，拓展了器件的使用范围，为更大尺度显微成像提供了可能。

本发明提出了一种基于多阶光纤模式复用的光纤STED显微镜。该器件利用异质多芯光纤制备成的光子灯笼，将单模输入端入射的损耗光转换为少模光纤的LP02模式，并利用该模式外环和内光斑分离的特点，针对性设计聚焦透镜，使LP02模式外环与内光斑同时聚焦于待测荧光物质表面，内外光波聚焦点之间具有π的相位差值，两者干涉构成了中央相干减弱边缘增强的环形光斑；同时，荧光激发光则通过光纤基模入射至样品表面，激发环形损耗光波中央的荧光物质；同时，物质的荧光能被少模光纤接收，返回至单模荧光输出端口，本器件实现了STED显微镜输入和输出端的集成，并且与其他光纤STED显微镜需要利用光纤高阶模式产生环形损耗光的方案不同，该损耗光模式在低模间串扰少模光纤弯曲、扭转、夹持下均能较好保持光斑形状，是一种具有巨大潜力的新型光纤STED显微器件。