专利名称：具有色散补偿的脉冲分裂器的制作方法
技术领域：
本发明涉及具有色散补偿的脉冲分裂器，该脉冲分裂器特别适用于非线性光学成像，尤其是多光子显微术。本发明还涉及对应的光学成像系统和对应的成像方法。
背景技术：
多光子显微术是一种为了研究生物组织而良好建立的技术。与共焦荧光显微术相比，其优势在于它具有在诸如组织的浑浊介质中的更大穿透深度、更小的激励负载和自然深度切片。
非线性成像的缺点是用于两个光子激励的荧光团的小吸收横截面。这可能通过增加激励功率来补偿，但是在利用具有80MHz的重复率的常规激光系统进行的亚微米聚焦中，功率的增加实际上被限制到在大约IOmW平均功率处的针对所谓的漂白的损伤阈值。因此脉冲能量应该被限制到低于lnj。然而，可用的激光系统表现出大得多的平均功率并因此表现出大得多的脉冲能量。可以优选在不损失能量的情况下通过将每个脉冲分裂成具有相同能量的一组等距脉冲来使用过剩的能量。通过将重复率加速N倍，一般可以
使信号强度增加N倍，
使数据采集速度增加N倍，或
降低光损伤概率，或
其任何组合。
存在针对脉冲分裂器的各种解决方案，例如使用具有两个平行的部分反射镜的Fabry-Perot标准具，或者使用其中应用一堆平行标准具的所谓的光列(optical rattler)。
新近的单块脉冲分裂器已经被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，，)公开。还参见对应的美国专禾丨J申请US 2009/0067458，其中一种装置包括脉冲激光源、无源脉冲分裂器、样品和探测器，该脉冲激光源以一输入重复率和一输入脉冲功率产生脉冲激光束，该无源脉冲分裂器(具有以50% 束分裂器分界的两种不同材料)接收脉冲激光束并且输出包括针对脉冲激光束的每个输入脉冲的多个子脉冲的信号。输出信号具有高于输入重复率的重复率，并且每个子脉冲的功率小于输入脉冲功率。
Na Ji等人的脉冲分裂器的本质是两个材料层具有不同的折射率，从而在50% 束分裂器的界面处存在折射。具有不同折射率的材料具有具有不同群速度色散的倾向。这意味着，当超短脉冲行进穿过介质时，构成该脉冲的所有光学频率并不都具有相同的速度。 因此，该脉冲将被展宽。这种展宽效应对于行进穿过两种材料一介质1和介质0—的各波束是不同的。在脉冲分裂器的输出端上，脉冲被混合，从而导致交替地更多和更少展宽的脉冲。Na Ji等人提出使用低色散材料——例如空气和硅来降低群速度色散，但是这将仅降低色散而不是将其消除，并且这一色散也将对子脉冲数目N和可用内部成对脉冲间隔时间4At设置局限。
因此，一种改进的脉冲分裂器设备可能是有利的，特别地，更高效和/或可靠的设备可能是有利的。发明内容
实现一种改进的脉冲分裂器是有利的。总体上，本发明优选寻求单独或组合地减轻、削弱或消除上述缺点中的一个或多个。特别地，可以看作是本发明的目的的是提供一种脉冲分裂器设备，其解决现有技术中的上述问题或其他问题。特别是关于色散的问题。
该目的和若干其他目的在本发明的第一方面通过以下方式获得，即提供一种脉冲分裂设备，其适于从相关联的脉冲照射源接收具有中心波长(λ)的照射脉冲并且针对每个输入照射脉冲输出多个子脉冲，
所述脉冲分裂器包括
具有第一材料(Hitl)的第一区域，所述第一材料具有第一折射率(Iici)，以及
具有第二材料(Hi1)的第二区域，所述第二材料具有第二折射率(Ii1)；
其中，所接收的照射脉冲和脉冲分裂器被配置为相互作用，从而使得至少第一和第二子脉冲分别被所述第一区域中的第一光程长度(OPl)和所述第二区域中的第二光程长度(0Ρ2)在时间上分离，并且
其中，第一光程长度(OPl)乘以相对于第一材料中的波长的群速度色散(GVDl)与第二光程长度(0Ρ》乘以相对于第二材料中的波长的群速度色散(GVD》平衡，从而使得所述第一和第二子脉冲的色散展宽基本相等。
本发明特别地但非排外地有利于获得一种脉冲分裂器，其中第一和第二子脉冲的色散展宽是基本相同的。值得注意的事实是，本发明获得子脉冲的基本相同的展宽是因为 为了所谓的线性调频(chirp)的后续色散补偿，各种标准技术于是可以被用于补偿这一色散，例如一对光栅或一组线性调频的反射镜，或者超快光学领域中的其他众所周知的技术。
还应该注意，第一光程长度(OPl)乘以相对于第一材料中的波长的群速度色散 (GVDl)与第二光程长度(OP》乘以相对于第二材料中的波长的群速度色散(GVM)之间的平衡对于致力于设计脉冲分裂器的技术人员来说并不是直观的选择，这是因为为了具有足够紧凑的分裂器，通常第一与第二材料之间的高折射率差异是期望的，而高折射率通常也意味着高群速度色散，但是，这仅是根据本发明的教导和原理的相关设计考虑的一部分。
在本发明的背景下，术语“脉冲照射源”被认为包括但不局限于适用于非线性光学成像技术领域中的多光子显微术的脉冲激光器，例如具有80MHz或更高重复率的Ti-蓝宝石激光器，或者具有20MHz或更高重复率的光纤激光器。
在本发明的背景下，第一和/或第二材料可以是在照射源的中心波长周围透明的任何种类的材料。因此，这些材料可以是固体，例如玻璃，但是也可以是流体，例如液体或气体。
本发明的脉冲分裂设备的特殊之处在于第一和第二子脉冲被脉冲分裂设备在时间上分离，即它们在时域是分离的，但是它们在离开脉冲分裂设备之后在基本相同的空间方向上传播。然而，当第一和第二子脉冲在脉冲分裂器内分别沿着第一和第二光程传播时， 它们在空间上是分离的。
在一个实施例中，第一区域和第二区域包括由第一材料和第二材料形成的公共界面，并且优选地第一光程长度(OPl)和第二光程长度(OP》通过该公共界面彼此分离。这例如可以是在公共界面中的半反射或半透明反射镜，例如50%。
优选地，所述公共界面可以是基本为平面的界面，该公共界面还位于一对基本平行的反射表面之间，所述反射表面被布置成朝向公共界面反射第一和第二子脉冲。这可以是专用反射镜，但是替代地，折射率的差异可以足够高以便完全内反射可以执行该反射。该公共界面可以优选平行于所述反射表面。
在特定实施例中，可以分别通过中心波长处的第一和/或第二折射率的二阶导数来近似相对于第一和/或第二材料中的波长的群速度色散(GVD1/GVD》。因此，可以近似一个群速度色散，而不必近似两个。更高阶的色散效应变得越来越重要，原始脉冲宽度越小， 即频谱容量越宽。所述二阶导数可以从标准表格中检索出来，即所谓的材料的“M常数”。
更特别地，通过要求在中心波长(λ)处或周围满足以下等式来使第一和第二子脉冲的色散展宽基本相等d2n, d2nr、
nH ,
其中第一折射率是IV且第二折射率是ηι。
优选地，所述色散展宽在由相关联的照射源的可调中心波长范围限定的波长间隔内是基本相等的。因此例如该范围可以是Ti 蓝宝石激光器的700-950nm，但是其他间隔， 例如围绕中心波长(λ)的50、100或150纳米(nm)也是可预期的。替代地，可预期中心波长(λ )的10、20或30纳米(nm)谱宽。
有利地，第一光程长度(OPl)乘以相对于第一材料中的波长的群速度色散与第二光程长度(0P》乘以相对于第二材料中的波长的群速度色散可以被平衡，从而使得第一和第二子脉冲的最宽脉冲宽度相对于第一和第二子脉冲的最小脉冲宽度的比率在因子2、 1. 6、1. 3或1. 1内。该宽度可以被测量为例如Gaussian类型波束的半高宽(FWHM)。无论脉冲宽度的定义如何，其对于第一和第二子脉冲应该是相同的，并且本发明的结果是由脉冲分裂设备导致的展宽基本相同。
在第二方面，本发明涉及一种用于对对象进行成像的光学系统，所述系统包括
-脉冲照射源，其适于发射具有中心波长(λ)的照射脉冲，
-如第一方面所述的脉冲分裂器，以及
-光学探测器，其能够探测来自所述对象的反射辐射。
因此，本发明可以结合诸如飞秒激光、多光子显微术、共焦显微术等的各种光学成像技术来实现。
优选地，该光学系统可以还包括具有一对光学部件(Pl、Ρ2)的第一色散补偿单元以及高阶色散补偿设备010)，所述设备适于与布置成通过在空间上分离不同的波长来补偿一阶色散的所述对光学部件(Ρ1、Ρ》协作，所述补偿设备具有相位板的形式，其中，通过对所述板的对应位置处的高度进行设计来调节针对每个波长的相位变化，从而基本补偿高阶色散。
在第三方面，本发明涉及一种用于对对象执行光学成像的方法，所述方法包括
-提供脉冲分裂设备，其适于从脉冲照射源接收具有中心波长(λ)的照射脉冲并且针对每个输入照射脉冲输出多个子脉冲，所述脉冲分裂器包括具有第一材料(Hlci)的第一区域以及具有第二材料(Hl1)的第二区域，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
-将所接收的照射脉冲和脉冲分裂器配置为相互作用，从而使得至少第一和第二子脉冲分别被所述第一区域中的第一光程长度(OPl)和所述第二区域中的第二光程长度 (0P2)在时间上分离，
其中，第一光程长度(OPl)乘以相对于第一材料中的波长的群速度色散(GVDl)与第二光程长度(0P》乘以相对于第二材料中的波长的群速度色散(GVD》被平衡，从而使得第一和第二子脉冲的色散展宽基本相等。
总体上，本发明的各个方面可以以本发明的范围内的任何可能的方式进行组合和耦合。通过参考此后描述的实施例，本发明的这些及其他方面、特征和/或优势将变得明显并且得以阐明。
参考附图，仅作为示例来描述本发明的实施例，在附图中
图1是根据本发明的用于对对象进行光学成像的系统的示意图2是根据本发明的脉冲分裂设备的示意图3是根据本发明的脉冲分裂设备的另一示意图4是根据本发明的脉冲分裂设备的又一示意图，其示出处于堆叠配置的多种材料；
图5是适用于找到将应用于本发明的成对材料的图表；
图6是对于实现本发明有用的色散补偿设备的示意图；以及
图7是根据本发明的方法的流程图。
具体实施方式
图1是根据本发明的用于对例如组织的对象8进行光学成像的系统1的示意图。 系统1包括适于发射具有中心波长λ的照射脉冲的脉冲照射源2。根据本发明，该源2被与脉冲分裂器5光学连接，即通过反射镜3或类似设备。在脉冲分裂设备5之后，子脉冲 (该图中未示出)被传输穿过色散补偿设备6 (参见下面的图6)并且经由例如聚焦透镜和 /或导管臂的操纵光学器件7照射到对象8上。然后，从对象8反射的辐射(用双箭头示意性指示)被适当的光学探测器4探测到，该光学探测器能够探测来自所述对象8的反射辐射。特别地，本发明对于各种生物组织的多光子显微术中利用飞秒激光的应用来说是有利的，但是本领域技术人员也很容易想到其他应用，例如用于(生物)医学成像的紧凑光纤扫描器。
图2是根据本发明的脉冲分裂设备5的示意图，脉冲分裂设备5适于从相关联的脉冲照射源2接收具有中心波长(λ)的照射脉冲并且针对每个输入照射脉冲输出多个子脉冲11和12。
该脉冲分裂器包括具有具有第一折射率Iitl的第一材料Hitl的第一区域以及具有具有第二折射率Il1的第二材料Hl1的第二区域。第一和第二折射率是不同的，从而在界面9中提供光的折射。特别地，第一和第二区域包括由第一和第二材料形成的公共界面9，其中第一光程长度OPl和第二光程长度0P2通过该公共界面彼此分离。界面9优选是50%半透明的反射镜或者用于将脉冲10分裂成两个子脉冲的类似设备。
所接收的照射脉冲和脉冲分裂器5被配置为相互作用，从而使得至少第一子脉冲 11和第二子脉冲12分别被第一区域中的第一光程长度OPl和第二区域中的第二光程长度 0P2在时间上分离，如图2中示意性指示的内部成对脉冲间隔时间At。对于这一时间分离的更多细节，本领域技术人员可以参考美国专利申请US 2009/0067458，其通过引用整体合并于此。
本发明的特殊之处在于第一光程长度OPl乘以相对于第一材料中的波长的群速度色散GVDl与第二光程长度0P2乘以相对于第二材料中的波长的群速度色散GVD2被平衡，从而使得第一子脉冲10和第二子脉冲11的色散展宽基本相等；因此，
OPl XGVDl = 0P2XGVD2 或 OPl XGVDl ^ 0P2XGVD2 (1)
是在中心波长(λ)周围应该满足的约束条件。
图3是根据本发明的脉冲分裂设备5的另一示意图。该图中的设备类似于图2中的设备，但是在此通过由界面9分离的第一区域13和第二区域23来具体实现和示出光程 OPl和0Ρ2，该公共界面9是基本为平面的界面，且该公共界面还被定位在被布置成朝向公共界面9反射子脉冲14和15的一对基本平行的反射表面25和35 (例如反射镜)之间，如图3中示意性指示的。一旦撞击到界面9上，子脉冲14和15都将被分成两个进一步的子脉冲，从而导致一个上分支的时间上分离的子脉冲11和12以及下分支的时间上分离的子脉冲15和17，如图3中示意性指示的。在每个分支中，这些子脉冲是空间上重叠的，以便有利于如图1中指示地对子脉冲进行进一步光学处理。
可以看出，如果脉冲10的入射角Qtl满足下面的条件，则以相同方向出射的子脉冲11和12将在空间上重叠
权利要求
1.一种脉冲分裂设备(5)，其适于从相关联的脉冲照射源( 接收具有中心波长(λ) 的照射脉冲(10)并且针对每个输入照射脉冲输出多个子脉冲(11、12、15、17)，所述脉冲分裂器包括具有第一材料0 )的第一区域(13)，所述第一材料具有第一折射率00，以及具有第二材料(Hi1)的第二区域(23)，所述第二材料具有第二折射率(Ii1)； 其中，所接收的照射脉冲和所述脉冲分裂器(5)被配置为相互作用，从而使得至少第一和第二子脉冲(11、1 分别被所述第一区域中的第一光程长度(OPl)和所述第二区域中的第二光程长度(0P2)在时间上分离，并且其中，所述第一光程长度(OPl)乘以相对于所述第一材料中的波长的群速度色散 (GVDl)与所述第二光程长度(OP》乘以相对于所述第二材料中的波长的群速度色散 (GVD2)被平衡，从而使得所述第一和第二子脉冲(11、1幻的色散展宽基本相等。
2.如权利要求1所述的设备，其中，所述第一区域(1 和所述第二区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，所述第一光程长度(OPl)和所述第二光程长度(0P2)通过所述公共界面彼此分离。
3.如权利要求2所述的设备，其中，所述公共界面(9)是基本为平面的界面，所述公共界面位于一对基本平行的反射表面(25、35)之间，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脉冲。
4.如权利要求1或3所述的设备，其中，分别通过所述中心波长处的所述第一折射率和 /或所述第二折射率的二阶导数来近似相对于所述第一材料和/或所述第二材料中的波长的群速度色散。
5.如权利要求3或4所述的设备，其中，通过要求在所述中心波长(λ)处满足等式"总="。会剩吏腿.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.如权利要求1所述的设备，其中，所述色散展宽在由所述相关联的照射源的可调中心波长范围限定的波长间隔内是基本相等的。
7.如权利要求1所述的设备，其中，所述第一光程长度(OPl)乘以相对于所述第一材料中的波长的群速度色散与所述第二光程长度(0P》乘以相对于所述第二材料中的波长的群速度色散被平衡，从而使得所述第一和第二子脉冲(11、1幻的最宽脉冲宽度相对于所述第一和第二子脉冲的最小脉冲宽度的比率在因子2、1.6、1.3或1. 1内。
8.一种用于对对象(8)进行成像的光学系统(10)，所述系统包括 -脉冲照射源O)，其适于发射具有中心波长(λ)的照射脉冲，-如权利要求1所述的脉冲分裂器(5)，以及 -光学探测器(4)，其能够探测来自所述对象的反射辐射。
9.如权利要求8所述的光学系统，还包括具有一对光学部件(Ρ1、Ρ2)的第一色散补偿单元，以及高阶色散补偿设备010)，该设备适于与布置成通过在空间上分离不同的波长来补偿一阶色散的所述对光学部件(Ρ1、Ρ》协作，所述补偿设备具有相位板的形式，其中，通过对所述板的对应位置处的高度进行设计来调节针对每个波长的相位变化，从而基本补偿高阶色散。
10. 一种用于对对象执行光学成像的方法，所述方法包括-提供脉冲分裂设备(5)，其适于从脉冲照射源( 接收具有中心波长(λ)的照射脉冲(10)并且针对每个输入照射脉冲输出多个子脉冲(11、12、15、17)，所述脉冲分裂器包括具有第一材料0 )的第一区域(1 以及具有第二材料(Hl1)的第二区域(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-将所接收的照射脉冲和所述脉冲分裂器( 配置为相互作用，从而使得至少第一和第二子脉冲(11、1 分别被所述第一区域中的第一光程长度(OPl)和所述第二区域中的第二光程长度(0P》在时间上分离，其中，所述第一光程长度(OPl)乘以相对于所述第一材料中的波长的群速度色散 (GVDl)与所述第二光程长度(OP》乘以相对于所述第二材料中的波长的群速度色散 (GVD2)被平衡，从而使得所述第一和第二子脉冲(11、1幻的色散展宽基本相等。
全文摘要
本发明涉及一种脉冲分裂设备(5)，其适于从脉冲照射源(2)接收具有中心波长(λ)的照射脉冲(10)并且针对每个输入照射脉冲输出多个子脉冲(11、12、15、17)。所接收的照射脉冲和脉冲分裂器(5)相互作用，从而使得第一和第二子脉冲(11、12)分别被第一区域中的第一光程长度(OP1)和第二区域中的第二光程长度(OP2)在时间上分离。第一光程长度(OP1)乘以相对于第一材料中的波长的群速度色散(GVD1)与第二光程长度(OP2)乘以相对于第二材料中的波长的群速度色散(GVD2)被平衡，从而使得第一和第二子脉冲(11、12)的色散展宽基本相等。这有助于改进两个子脉冲的后续色散补偿。
文档编号G02B27/12GK102511115SQ201080042557
公开日2012年6月20日 申请日期2010年9月15日 优先权日2009年9月24日
发明者G·T·霍夫特, J·J·L·霍里克斯 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司