专利名称：一种基于ktn晶体的变焦透镜的轴向随机扫描方法
技术领域：
本发明涉及一种新型的KTN晶体(钽铌酸钾晶体)，以及基于该KTN晶体的变焦透 镜的轴向随机扫描方法，可以与显微成像技术结合实现快速轴向随机扫描，应用于神经生 物学等学科的研究。
背景技术：
双光子随机扫描显微成像技术是研究神经元及神经回路功能的有力工具。为了得 到足够信噪比的双光子荧光信号，双光子随机扫描显微成像技术要求扫描光束在某一感兴 趣点能够停留足够长的时间(> 10 μ S)，并且能够在多个感兴趣点之间快速切换(速度在 10 μ S量级)。基于声光偏转器的二维随机扫描技术已经成熟，但是三维随机扫描技术还不能很 好地满足神经科学研究的需求，主要原因是光轴方向的随机扫描技术还不够成熟。Peter Saggau研究小组利用4个声光偏转器使光束在光轴方向快速随机扫描，能 满足随机扫描对感兴趣点的停留时间以及多个感兴趣点之间的切换速度的要求，但是受到 AOD衍射效率的限制，运用到显微成像时的光轴方向扫描范围只有50 μ m。日本NTT公司使用KTN晶体发明了一种新型的基于二次电光效应的可变焦透镜， 它的响应时间是ls，可使光束在光轴方向快速随机扫描，能够满足随机扫描对感兴趣点的 停留时间以及多个感兴趣点之间的切换速度的要求，但是这种可变焦透镜的最短焦距是 1. 6m，运用到显微成像时的光轴方向扫描范围小于50 μ m。由上可知，现有光轴方向随机扫描方法的扫描范围小，不足可以运用于神经元和 神经回路功能的研究，因此有必要提供一种扫描范围大的轴向随机扫描方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于KTN晶体的变焦透镜的轴向随机扫描方法，能扩大 光轴方向的扫描范围，以运用于神经元和神经回路功能的研究。为了实现上述目的，本发明提供了一种基于KTN晶体的变焦透镜的轴向随机扫描 方法，包括如下步骤提供一种长方体KTN晶体，所述长方体KTN晶体包含Ta和Nb，其中Ta 的重量百分比在所述长方体KTN晶体1的两个相对表面之间线性变化；在所述长方体KTN 晶体的两个相对表面各镀上一电极层，在所述两个相对表面的电极层上施加一电压；将入 射波前垂直入射到所述长方体KTN晶体的其他表面，所述长方体KTN晶体对所述入射波前 进行折射并聚焦，其中所述入射波前为平面波；改变施加在所述两个相对表面的电极层上 的电压，进而改变所述长方体KTN晶体对所述入射波前聚焦的焦距。在本发明的一个实施例中，Ta的重量百分比为60% 80%，Nb的重量百分比为 20% 40%。在本发明的另一实施例中，所述电极层为Ti电极层。 与现有技术相比，本发明基于KTN晶体的变焦透镜的轴向随机扫描方法中，KTN晶体Ta的重量百分比大于Nb的重量百分比，因此施加电压后，KTN晶体内的电场为非均勻电 场，电光系数沿电场方向线性变化，因此折射率也发生变化，可以对准直入射的入射波前聚 焦，焦距的大小(即扫描范围)可以通过外加电压的大小来调节，焦距的切换速度仅由外加 电压的改变速度确定，据试验，本发明扫描范围理论上可以达到500 μ m，焦距的切换速度在 10 μ s量级。本方法得到的扫描范围比现有的光轴方向随机扫描方法扫描范围大，可以运用 于神经元和神经回路功能的研究。通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明 的实施例。以实现大范围扫描。
图1为本发明基于非均勻KTN晶体的变焦透镜的轴向随机扫描方法中KTN晶体的 示意图。图2为本发明基于KTN晶体的变焦透镜的轴向随机扫描方法的原理示意图。图3为本发明基于KTN晶体的变焦透镜的轴向随机扫描方法的流程图。
具体实施例方式现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。本发明基于KTN晶体的变焦透镜的轴向随机扫描方法，结合图1和图2、图3，所述 方法包括如下步骤步骤Si，提供一种长方体KTN晶体1，所述长方体KTN晶体1包含Ta(钽)和 Nb (铌)，其中Ta(钽)的重量百分比在所述长方体KTN晶体1的两个相对表面21、22之间 线性变化。也就是说，Ta和Nb的重量百分比在空间是非均勻分布的，在长方体KTN晶体1 的两个相对表面21、22之间，由于长方体KTN晶体1仅包含Ta(钽)和Nb (铌)，此时如果 Ta(钽)的重量百分比线性递增，则Nb(铌)的重量百分比会线性递减，反之亦然。在本实 施例中，Ta(钽)的重量百分比为60% 80%，Nb (铌)的重量百分比为20% 40%。步骤S2，在所述长方体KTN晶体1的两个相对表面21、22各镀上一电极层61、62， 在电极层61、62上施加一电压；在步骤S2中，对长方体KTN晶体1的两个相对表面21、22上的电极层61、62施加 电压后，长方体KTN晶体1产生非均勻电场，图1所示虚线箭头表示电场的方向。假设长方体KTN晶体1的两个相对表面21、22之间的距离为d，施加在电极层61、 62上的电压为V，则KTN晶体1内部产生的非均勻电场E(X)为Ε(χ) = —β (1)
V ‘ IdHd其中，χ为待测电场位置到长方体KTN晶体1中低电动势表面的距离，本实施例假 设施加电压后，电极层62的电动势低于电极层61的电动势，则χ为待测电场位置(如图1 中的圆黑点)与表面22之间的距离。由于长方体KTN晶体1包含步骤Sl所述的组分，因此KTN晶体1的电光系数沿电 场方向线性变化。长方体KTN晶体1的电光系数S11(X)为S11 (χ) = Cx(2)
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其中，C为常数，χ与式⑴相同。在非均勻电场的作用下，由于二次电光效应，长方体KTN晶体1的折射率发生变 化，折射率的变化量为
权利要求
一种基于KTN晶体的变焦透镜的轴向随机扫描方法，包括如下步骤提供一种长方体KTN晶体，所述长方体KTN晶体包含Ta和Nb，其中Ta的重量百分比在所述长方体KTN晶体1的两个相对表面之间线性变化；在所述两个相对表面各镀上一电极层，在所述两个相对表面的电极层上施加一电压；将入射波前垂直入射到所述长方体KTN晶体的其他表面，所述长方体KTN晶体对所述入射波前进行折射并聚焦，其中所述入射波前为平面波；改变施加在所述两个相对表面的电极层上的电压，进而改变所述长方体KTN晶体对所述入射波前聚焦的焦距。
2.如权利要求1所述的基于KTN晶体的变焦透镜的轴向随机扫描方法，其特征在于， Ta的重量百分比为60% 80%，Nb的重量百分比为20% 40%。
3.如权利要求1所述的基于KTN晶体的变焦透镜的轴向随机扫描方法，其特征在于，所 述电极层为Ti电极层。
全文摘要
本发明公开了一种基于KTN晶体的变焦透镜的轴向随机扫描方法，包括如下步骤提供一种长方体KTN晶体，所述长方体KTN晶体包含Ta和Nb，其中Ta的重量百分比在所述长方体KTN晶体1的两个相对表面之间线性变化；在所述两个相对表面各镀上一电极层，在所述两个相对表面的电极层上施加一电压；将入射波前垂直入射到所述长方体KTN晶体的其他表面，所述长方体KTN晶体对所述入射波前进行折射并聚焦，其中所述入射波前为平面波；改变施加在所述两个相对表面的电极层上的电压，进而改变所述长方体KTN晶体对所述入射波前聚焦的焦距。本方法扫描范围理论上可以达到500μm，可运用于神经元和神经回路功能的研究。
文档编号G02F1/03GK101963699SQ20101027547
公开日2011年2月2日 申请日期2010年9月8日 优先权日2010年9月8日
发明者曾绍群, 杜睿, 骆清铭 申请人:华中科技大学