基于单光纤光镊的STED超分辨显微成像装置的制作方法

(一)技术领域

本发明涉及的是基于单光纤光镊的sted超分辨显微成像装置，主要涉及光子学技术领域，更具体地，涉及一种光纤sted超分辨成像方法与装置。

(二)

背景技术：

由于传统荧光显微镜的分辨率存在衍射极限，近十多年来发展一些突破分辨率衍射极限的超分辨成像技术，如受激发射损耗显微(sted)技术、结构光照明显微镜(structuredilluminationmicroscopy,sim)、光激活定位显微术(palm)、随机光学重构显微镜(stochasticopticalreconstructionmicroscopy,storm)等。其中sted是在激光扫描共聚焦荧光显微镜的基础上引入另外一路波长比激发光较长的环形的损耗光。一个聚焦的激光束将荧光团激发到高的能量状态(激发态)，与此同时一个不同波长的环形损耗光斑聚焦叠加到前面的那束光斑上。这样两者的重叠区域激发态的荧光团会被拉低到最低能级(即基态)，只有中心区域的小区域发出荧光信号，受激点扩展函数(psf)的有效尺寸比衍射极限psf来的小，达到提高分辨率的目的。

这些技术上的进步势必极大地推动生命科学的发展。而这些技术之一、由专利号为us5731588的美国专利公开的受激发射损耗显微镜(stimulatedemissiondepletion(sted)microscopy)被誉为最有应用前景的方法。它是从物理上打破衍射光学极限的远场荧光显微技术，对传统物理学观点的极大挑战。从1994年sted理论的提出，经过多年的实验后，直到2000年hell开发了超高分辨率显微技术，通过三维扫描可以得到100nm以下的超高分辨率三维图像。尽管sted显微技术得到了一定的发展，然而到目前为止sted原理和方法还没有得到广泛的应用，具体表现在：(1)现有的脉冲sted测量系统光路复杂，使用的光学元器件多，包括昂贵的脉冲激光器、复杂的电子控制系统等。(2)对系统的稳定性要求非常高，为了保证分辨率，一般工作2-3个小时需要重新校准。

实现超分辨sted显微成像的关键是如何形成具有超小尺寸的激发光斑和损耗光斑，而sted显微镜的分辨率主要由有效荧光光斑的大小损耗效果决定的。可以通过各种措施改善sted光在焦平面相干形成的损耗光斑的方式来改善sted的照明装置的稳定性。

sted显微成像技术多种多样。例如，中国专利cn211817464u提出了基于切向偏振的超分辨荧光显微装置，虽然获得良好的显微照明效果，但是实现这一效果需要复杂的光路、昂贵的精密仪器，且稳定性也不是很高。中国专利cn103617330a提出了基于超连续产生的宽带激光光源激发的超分辨sted显微成像装置，虽然改进了两激光同步调节的功能，实现良好的显微照明，但整体光路复杂。中国专利cn211910469073.3提出了一种全光纤型超分辨成像方法与装置，该装置利用光涡旋光纤和光栅型光纤光涡旋转换器来得到光涡旋损耗光，实现超分辨成像。中国专利cn109752830a提出了一种全光纤sted超分辨显微照明装置，该装置中光束生成器的高度集成化，使得设备比较灵活稳定，实现了“单点”的全光纤sted超分辨显微照明。

光纤sted系统中，激发光与光涡旋损耗光，在同一根光纤中传输，激发光与损耗光是自然对准的，因此不需要额外的严格对准过程，可以提升系统稳定性，并降低成本。此外，由于光纤具有尺寸小、易弯折的特性，光纤sted还可以用来实现活体内窥超分辨成像，因此研究光纤sted具有十分重要的科学意义和应用前景。

与在先技术相比，本发明提出了一种基于单光纤光镊的sted超分辨显微成像装置。该装置主要仅依靠一段多芯光纤就可实现高斯形激发光和中空环形损耗光的生成，得到荧光样品“单点”的超分辨显微成像，并且利用外侧多芯汇聚光束捕获的微球透镜进行二微平面扫描，获得一幅二维超分辨图像。当前的光纤sted内窥系统采用的微球透镜尺寸(毫米量级)仍然比较大，无法深入一些生物组织器官内部实现微米空隙下的内窥成像。因此，研究更加小型化、集成化的光纤型sted超分辨成像具有十分重要的意义。

(三)

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于单光纤光镊的sted超分辨显微成像装置。该装置主要仅依靠一段多芯光纤就可实现高斯形激发光和中空环形损耗光的生成，得到荧光样品上“单点”的超分辨显微成像，并且利用外侧多芯汇聚光束捕获的微球透镜进行二维平面扫描，获得一幅二维超分辨图像。从而降低了成本和提升了装置的稳定性，使整个装置更加微型化和集成化。

本发明的目的是这样实现的：

该sted超分辨显微成像装置是由用于sted成像的激光器、延时单元、光束生成器、sted成像显示仪、用于操控微球透镜的激光器、光功率控制模块、反馈控制模块、对光功率进行调节的计算机、一个1×6光纤耦合器、两个1×2宽带光纤耦合器以及以及多根单模光纤组成。所述器件中光束生成器3主要由多芯光纤连接器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、外侧多芯1203、外包层1204组成。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被锥体圆台纤端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。激光器101和激光器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，当注入到每个外侧纤芯的光功率相同时，光束经过圆锥台全反射并折射后形成的聚焦光束23能够精准捕获处于纤端中心的微球透镜14，此时在sted成像显示仪4上显示的是荧光样品中“单点”的成像信息；当利用光功率控制模块6对光功率进行有预期的改变时，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。

下面将详细阐述利用双包层多芯光纤实现高斯形激发光束和中空环形损耗光束生成以及对荧光样品实现二维平面超分辨成像的基本原理。

我们知道，当特定的荧光分子被特定波长的激光照射时，可以被强行猝灭回到基准态。基于这样的特性，假设可以用一束波长较短的激发光使荧光物质发光的同时，用另外的高能量脉冲激光器发射一束紧挨着的、环型的、波长较长的损耗光将第一束光斑中大部分的荧光物质通过受激发射损耗过程猝灭，从而减少荧光光点的衍射面积，显著地提高了显微镜的分辨率。通过这样的物理过程可以有效的减少激发光的光斑大小，从而直接减少点扩散函数的半高宽来提高分辨率，这就是sted超分辨显微成像的基本原理。要实现这一目的，需要构造两种光束：一是高斯形激发光束，二是中空环形损耗光束。为此，本发明采用双包层多芯光纤的螺旋光栅来生成这两束光。一方面，波长较短的激发光不会被螺旋光栅所调制，可以直接在双包层多芯光纤纤芯和内包层组成的波导结构中近似单模传输，从而直接从纤端出射后经过微球透镜聚焦形成强汇聚激发光束(高斯形光场)，然后照射到荧光样品上激发出荧光；另一方面，波长较长的损耗光通入中央双包层纤芯时会被螺旋光栅所调制而形成涡旋光波，涡旋光波从纤端出射后同样经过微球透镜聚焦形成强汇聚损耗光束(中空环形光场)，然后照射到荧光样品上，形成超分辨sted荧光。

在双包层多芯光纤中纤芯光源输入由多芯光纤连接器来实现。多芯光纤连接器将光源与外侧多芯连接时，通过改变注入多芯光纤连接器中的光功率大小，实现对外侧多芯中每一根纤芯光功率大小的控制，当纤芯处于同一光功率时，外侧多芯的光束经过圆锥台的全反射以及光纤端面的折射后，汇聚在光纤端面中心，尺寸在微米级别的微球透镜在光阱力的作用下被俘获在纤端中心。当通入外侧多芯中每根纤芯的光功率不一致时，在纤端汇聚时焦点会发生对应的移动，微球透镜又再一次的被拉回束缚在焦点处，原理类似于“光手”功能。微球透镜对超分辨荧光信号进行汇聚收集，收集的荧光信号由中央双包层纤芯收集，实现“单点”超分辨sted荧光探测成像。通过微球透镜在纤端上的二维扫描即可实现对荧光光斑的连续移动，最终获得在荧光样品上整个探测区域的超分辨荧光成像信号。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)相对于传统的sted超分辨成像器件，本发明采用多芯光纤结构，激发光、损耗光、信号光的传输全部依靠光纤与光纤器件实现，激发光与损耗光是自然对准的，不需要额外的严格对准过程，光路可以任意弯折，灵活度大，光束在光纤中传输，可以有效避免外界干扰，提升了系统的稳定性。为受激发射损耗超分辨成像提供了一种全新的思路及一种简单易于实现的装置。

(2)本发明方案所采用主体器件全部为光纤器件，各器件小巧、紧凑且易于加工，极大的提高了系统集成度，降低了系统的复杂度和成本。

(3)本发明采用光纤微球透镜作为成像显微物镜，以扩展sted系统的成像深度，使之可以应用于微小尺度下的超分辨内窥成像。微型光纤透镜可以直接在光纤端面加工获得，尖端尺寸仅为几微米，尺寸极小，可深入细胞间隙进行观测，在生物医学、微观物理等需要高分辨成像的领域具有广泛的应用前景，并且具有较高的实用性。

(四)附图说明

图1是基于单光纤光镊的sted超分辨显微成像装置。由用于sted成像的激光器、延时单元、光束生成器、sted成像显示仪、用于操控微球透镜的激光器、光功率控制模块、反馈控制模块、对光功率进行调节的计算机、一个1×6光纤耦合器、两个1×2宽带光纤耦合器以及以及多根单模光纤组成。

图2是双包层多芯光纤的制备示意图。由预制棒201、加热炉202、激光测径仪203、涂敷及固化设备204、反馈电路205、涂层测径仪206、绞盘207、光纤208、成品卷绕209组成。

图3(a)是拉锥制得弧形锥面的圆锥台纤端的制备示意图。由cmos相机301、左手拉锥平台302、加热平台303、右手拉锥平台304、加热系统305、光纤对准、拉锥系统306、光纤图像检测系统307、硬件系统操控平台308、光纤图像309以及计算机操控系统310组成。(b)是弧形锥面的圆锥台纤端的结构示意图。

图4是磨锥制得圆锥台纤端的制备示意图。由光纤夹具401、双包层多芯光纤402、研磨盘403组成。

图5是二氧化碳激光器分别刻写介质手性螺旋光栅以及结构手性螺旋光栅系统结构示意图。由电脑控制系统、二氧化碳激光器、激光扫描系统、透镜以及双包层多芯光纤组成。(a)图中给出了均匀介质手性螺旋光栅的结构示意图。(b)图中给出了非均匀介质手性螺旋光栅时的结构示意图。(c)图中给出了均匀结构手性螺旋光栅的结构示意图。(d)图中给出了非均匀结构手性螺旋光栅的结构示意图。

图6给出了中央双包层纤芯的折射率分布。分别为单层阶跃、双层阶跃、多层阶跃、单层渐变、双层渐变以及多层渐变的结构示意图。

图7给出了双包层多芯光纤横截面以及不同内包层形状结构示意图。其中(a)-(d)图中给出了不同外侧多芯的双包层多芯光纤结构示意图，分别为三芯、五芯、七芯和n芯，包括中央双包层纤芯1201、外侧多芯1203以及外包层1204组成。(e)图中给出了内包层形状为三角形时的结构示意图。(f)图中给出了内包层形状为六边形时的结构示意图。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例来进一步阐述本发明。

结合图1，本发明实施方式是激光器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被锥体圆台纤端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。激光器101和激光器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，当注入到每个外侧纤芯的光功率相同时，光束经过圆锥台全反射并折射后形成的聚焦光束23能够精准捕获处于纤端中心的微球透镜14，此时在sted成像显示仪4上显示的是荧光样品中“单点”的成像信息；当利用光功率控制模块6对光功率进行有预期的改变时，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。

基于多光纤光镊的sted超分辨显微成像装置的制备过程可分为以下四个步骤(见图2-图5)：

步骤1、双包层多芯光纤预制棒制备。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，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；

步骤2、拉制光纤(见图2)。将制备好的双包层多芯光纤预制棒201放置在光纤拉丝塔上，并进行固定，光纤预制棒201经过加热炉202加热熔融并在牵引力共同作用下进行拉丝。在光纤拉丝过程中，进行各个纤芯直径的激光测径，直径符合要求后进行固化，最终拉制成含有中央双包层纤芯、外包层以及周围纤芯呈正多边形分布的双包层多芯光纤208，如图7所示；

步骤3、纤端微加工(此步骤可采用两种方式制备)：光纤拉锥(见图3)。光纤去除涂覆层之后固定在光纤夹具上，控制系统驱动承载光纤的左手电控位移平台302以及右手电控位移平台304，将光纤送至cmos相机301视野范围内，在视野区通过自动调焦系统将光纤对焦获得清晰图像309，图像可以通过计算机操控系统310进行显示。计算光纤几何参数与位姿信息并作为反馈量，通过调节左右手五个维度的微动执行装置，实现光纤波导与加热装置的对准。驱动电加热装置308将熔融区送至波导对准位置进行加热，用左、右手电控位移平台对光纤进行一定速度下的拉伸，拉锥完成后，在中心点用光纤切割刀进行切割，最终形成具有弧形锥面的圆锥台纤端。光纤纤端研磨(见图4)。用光纤夹具401固定好双包层多芯光纤402，然后把纤端放置于研磨盘403上，光纤夹具与光纤研磨盘各连接有一个直流电机驱动使其绕各自的中轴自转；保持双包层多芯光纤与研磨盘盘面法线呈固定夹角θ，通过光纤夹具和研磨盘的自转即可研磨出张开角为θ的圆锥台纤端；

步骤4、光栅刻写(见图5)。将制备好的双包层多芯光纤放置于二氧化碳激光器刻写系统下，在电脑上控制系统的操控下，进行激光扫描并对光纤进行旋转和平移操作，按照指定参数在双包层多芯光纤的内包层上刻写出介质手性螺旋光栅，如图5(a)所示。可选的，二氧化碳激光器在内包层上刻得的螺旋光栅螺距可以是均匀的也可以是非均匀的，如图5(b)所示，飞秒激光器刻写作为备选方案。也可为采用二氧化碳激光、电弧、氢氧焰等加热方式热熔扭转光纤形成的结构手性螺旋光栅，如图5(c)-(d)所示。

可选的，中央双包层纤芯为多模纤芯，折射率分布是单层阶跃、双层阶跃、多层阶跃、单层渐变、双层渐变和多层渐变中的一种，如图6(a)-(f)所示。

可选的，可以通过控制光纤预制棒微孔的数量、大小和位置以及微孔的塌陷过程来制备出外侧多芯数量不同以及内包层形状多样的双包层多芯光纤及相应的粒子光操纵器件，例如，基于三芯、五芯、n芯光纤预制棒制备的具有三芯、五芯、n芯，内包层形状为圆形、三角形、六边形结构的双包层多芯光纤，如图7(a)-(f)所示。

下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。

步骤1、光纤制备：按照实施方式的光纤制备方法制作出双包层多芯光纤(见图2)，光纤尺寸在125um大小；

步骤2、纤端微加工(此步骤可采用两种方式制备)：光纤拉锥：按照实施方式的光纤拉锥方法制作弧形锥面的圆锥台纤端结构(见图3)，光纤纤端研磨：按照实施方式的光纤纤端研磨方法制作圆锥台纤端结构(见图4)；

步骤3、螺旋光栅刻写：按照实施方式的光纤刻写方法制作在内包层上刻得螺旋光栅结构(见图5)；

步骤4、荧光样品“单点”超分辨显微成像(见图1)：激光器输出的捕获光通过多芯光纤连接器输入到多芯光纤的多个外侧纤芯中，然后捕获光被锥体圆台纤端汇聚后形成纤端聚焦光束，该光束稳定地三维捕获住微球透镜。用于sted成像的激光器可分别发射“激发光”和“损耗光”。一方面，“激发光”注入到多芯光纤后被限制在中央双包层纤芯中传输，由于“激发光”不会被螺旋光栅调制，因此直接从光纤端输出后被微球透镜聚焦形成强聚焦激发光，最后作用到荧光样品表面使其发出荧光；另一方面，“损耗光”经过延时单元2延时δτ时间后，注入到多芯光纤的中央双包层纤芯后被螺旋光栅所调制，激发产生高阶涡旋模式并在光纤末端输出后被微球透镜聚焦形成强聚焦中空环形损耗光，然后到达荧光样品表面。由于荧光和强聚焦中空环形损耗光的光斑中心完全重合，使得大部分处于荧光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，同时被微球透镜收集到中央双包层纤芯中，最后超分辨荧光成像信号经过一个1×2宽带光纤耦合器后被sted成像显示仪收集，实现“单点”超分辨显微成像；

步骤5、“平面”超分辨显微成像(见图1)：由于可以通过光功率控制模块独立控制每个外侧纤芯传输捕获光的功率，当注入到每个外侧纤芯的光功率相同时，光束经过圆锥台全反射并折射后形成的聚焦光束能够精准捕获处于纤端中心的微球透镜，此时在sted成像显示仪上显示的是荧光样品中“单点”的成像信息；当利用光功率控制模块对光功率进行有预期的改变时，利用反馈控制模块对其进行监测和控制，对计算机收到的反馈信息进行及时处理，作用在光功率控制模块上，不断的改变输入到外侧多芯的光功率大小，从而对出射纤端聚焦光束的空间分布实施调控，实现对微球透镜的捕获点的空间位置的调节，最终实现微球透镜在光纤端面上的二维移动。通过微球透镜的这种二维扫描移动24就可实现对强聚焦激发光和强聚焦中空环形损耗光的传输方向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。