本發(fā)明涉及顯微成像，尤其是涉及一種基于矢量光場調(diào)控的雙光子成像系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、雙光子顯微鏡是一種非線性光學(xué)成像技術(shù)，它利用物質(zhì)在強(qiáng)激光作用下的非線性效應(yīng)，通過檢測樣品產(chǎn)生的雙光子信號來獲取高分辨率、高對比度的圖像。不同于單光子激發(fā)熒光顯微鏡，雙光子激發(fā)熒光需要同時吸收兩個光子以激發(fā)熒光分子，利用該非線性過程進(jìn)行顯微成像的技術(shù)稱為雙光子激發(fā)熒光顯微成像。這種顯微鏡技術(shù)具有獨(dú)特的優(yōu)勢，能夠在不損傷生物樣品的前提下，深入揭示樣品內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)和功能信息，在生物領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。

2、傳統(tǒng)雙光子顯微鏡的激發(fā)光束普遍為線偏振，其聚焦焦點存在衍射極限，橫向分辨率的提高存在限制。在進(jìn)行三維體成像的過程中，需要進(jìn)行z方向的掃描，這種成像過程極大地降低了體成像的速度。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種基于矢量光場調(diào)控的雙光子成像系統(tǒng)及方法，以解決背景技術(shù)中提到的問題。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于矢量光場調(diào)控的雙光子成像系統(tǒng)，包括依次設(shè)置的激光擴(kuò)束模塊、矢量光場調(diào)制模塊、光束掃描模塊和成像模塊；

3、所述激光擴(kuò)束模塊包括依次設(shè)置的激光器、第一半波片、第一偏振分束鏡、第一透鏡和第二透鏡；所述激光器產(chǎn)生的激光光束，經(jīng)過所述第一半波片和所述第一偏振分束鏡進(jìn)行激光功率調(diào)節(jié)，然后經(jīng)過所述第一透鏡和所述第二透鏡進(jìn)行光束直徑調(diào)整。

4、優(yōu)選的，所述矢量光場調(diào)制模塊包括第二半波片、第二偏振分束鏡、第一反射鏡、第三半波片、空間光調(diào)制器、第二反射鏡、第三反射鏡、第一位移臺、第四反射鏡、第五反射鏡、第二位移臺、第四半波片、第六反射鏡、第三偏振分束鏡和四分之一波片；所述第三反射鏡設(shè)置在所述第一位移臺上，所述第五反射鏡設(shè)置在所述第二位移臺上；

5、激光光束經(jīng)過所述第二半波片進(jìn)行偏振態(tài)方向調(diào)整，然后經(jīng)過所述第二偏振分束鏡分成兩束光，其中一束光依次經(jīng)過所述第一反射鏡和所述第三半波片后，經(jīng)過所述空間光調(diào)制器進(jìn)行相位調(diào)制，然后經(jīng)過所述第四反射鏡和所述第五反射鏡進(jìn)行光束調(diào)節(jié)，另一束光經(jīng)過所述第二反射鏡和所述第三反射鏡后，經(jīng)過所述空間光調(diào)制器進(jìn)行相位調(diào)制，然后所述經(jīng)過第四半波片進(jìn)行光束轉(zhuǎn)換，并經(jīng)過所述第六反射鏡反射，最后兩束光均經(jīng)過所述第三偏振分束鏡進(jìn)行合束，然后通過所述四分之一波片將光束轉(zhuǎn)換為左旋圓偏振光束和右旋圓偏振光束。

6、優(yōu)選的，所述光束掃描模塊包括第三透鏡、第四透鏡、x-y掃描振鏡、掃描透鏡和套筒透鏡；通過所述第三透鏡和所述第四透鏡將激光光束傳遞至所述x-y掃描振鏡，通過所述x-y掃描振鏡對激光光束進(jìn)行x-y平面逐點掃描，最后激光光束依次經(jīng)過所述掃描透鏡和所述套筒透鏡。

7、優(yōu)選的，所述成像模塊包括二向色鏡、物鏡、樣品和光電倍增管；激光光束作為激發(fā)光通過所述二向色鏡透射，然后激發(fā)光經(jīng)過所述物鏡聚焦至所述樣品上產(chǎn)生信號光，信號光通過所述二向色鏡反射至所述光電倍增管，然后通過所述光電倍增管對信號光進(jìn)行收集。

8、優(yōu)選的，所述第二反射鏡和所述第四反射鏡均為直角棱鏡反射鏡，所述第三反射鏡和所述第五反射鏡均為屋脊棱鏡反射鏡。

9、優(yōu)選的，所述第二半波片的快軸與水平方向的夾角為22.5°，所述第三半波片的快軸與豎直方向的夾角為45°。

10、優(yōu)選的，所述第四半波片與水平方向的夾角為45°，所述四分之一波片與水平方向的夾角為45°。

11、優(yōu)選的，所述空間光調(diào)制器位于所述第二透鏡的后焦距處和所述第三透鏡的前焦距處。

12、優(yōu)選的，所述x-y掃描振鏡位于所述第四透鏡的后焦距處和所述掃描透鏡的前焦距處。

13、優(yōu)選的，所述第二半波片用于調(diào)整光束的偏振方向，可以替換為兩個偏振片。所述第二半波片和所述第二偏振分束鏡用于調(diào)整兩束光的比例，可以用分束器和衰減片組合代替。所述空間光調(diào)制器用于給光束附加相位，其可以用數(shù)字微鏡器件或者特殊加工的相位板代替。所述第二反射鏡和所述第三反射鏡用于反射光束和調(diào)整光程，可以替換為普通反射鏡。所述x-y掃描振鏡用于通過調(diào)節(jié)反射角度進(jìn)行x-y平面逐點掃描，可以用空間光調(diào)制器或者數(shù)字微鏡器件等器件代替。所述第三偏振分束鏡用于將兩束光合束，可以用渥拉斯頓棱鏡或者半透半反鏡等器件代替。所述矢量光場調(diào)制模塊用于生成徑向偏振矢量光場，可以替換為渦旋波片。

14、本發(fā)明提供了一種基于矢量光場調(diào)控的雙光子成像方法，包括以下步驟：

15、激光器產(chǎn)生飛秒激光光束，通過第一半波片和第一偏振分束鏡調(diào)節(jié)激光功率，然后通過第一透鏡和第二透鏡進(jìn)行準(zhǔn)直擴(kuò)束，將光束直徑調(diào)整至與空間光調(diào)制器匹配；

16、激光光束經(jīng)第二半波片調(diào)整偏振態(tài)方向，然后通過第二偏振分束鏡將激光光束分為x偏振光x1和y偏振光y1；

17、y1經(jīng)過第一反射鏡反射，然后通過第三半波片轉(zhuǎn)換為x偏振光束x2；

18、x1經(jīng)過第二反射鏡和第三反射鏡，通過第二反射鏡、第三反射鏡和第一位移臺使x1和x2到達(dá)空間光調(diào)制器的光程相等；

19、x1和x2經(jīng)過空間光調(diào)制器分別轉(zhuǎn)換為x1’和x2’，x1’經(jīng)過第四半波片轉(zhuǎn)換為y偏振光束y2’，y2’經(jīng)過第六反射鏡反射；

20、x2’經(jīng)過第四反射鏡和第五反射鏡進(jìn)行光束調(diào)節(jié)，使x2’與y2’的光程相等且脈沖完全重合；x2’與y2’經(jīng)過第三偏振分束鏡合成一束光；

21、通過四分之一波片將x2’與y2’轉(zhuǎn)換為左旋圓偏振光束和右旋圓偏振光束，通過左旋圓偏振光束和右旋圓偏振光束生成目標(biāo)vof；

22、通過第三透鏡和第四透鏡將vof傳遞至x-y掃描振鏡，x-y掃描振鏡通過調(diào)節(jié)反射角度進(jìn)行x-y平面逐點掃描，然后依次經(jīng)過掃描透鏡和套筒透鏡；

23、vof作為激發(fā)光通過二向色鏡透射，然后激發(fā)光經(jīng)過物鏡聚焦至樣品上產(chǎn)生信號光，信號光通過二向色鏡反射至光電倍增管，由光電倍增管對信號光進(jìn)行收集。

24、因此，本發(fā)明采用上述的一種基于矢量光場調(diào)控的雙光子成像系統(tǒng)及方法，具有以下有益效果：

25、（1）本發(fā)明在傳統(tǒng)雙光子顯微鏡的基礎(chǔ)上新增矢量光場（vof）調(diào)制模塊，通過偏振分束鏡分束、空間光調(diào)制器（slm）調(diào)節(jié)相位、四分之一波片轉(zhuǎn)換偏振態(tài)和偏振分束鏡合束的方式生成vof，能夠調(diào)控焦點處激發(fā)光束的形狀。

26、（2）本發(fā)明利用空間光調(diào)制器間接生成旋向偏振渦旋矢量光場（apv-vof），利用apv-vof可以生成更小的聚焦焦點，通過提高雙光子顯微鏡的掃描精度直接提升成像分辨率。

27、（3）本發(fā)明利用slm間接生成徑向偏振矢量光場（rp-vof），對rp-vof進(jìn)行二元多環(huán)帶調(diào)控產(chǎn)生縱向光針，通過縱向光針減少雙光子顯微鏡的z方向掃描時間，提升三維體成像速度。

28、（4）本發(fā)明利用相位型空間光調(diào)制器同時調(diào)制兩束光通過相干疊加調(diào)控光場的振幅、相位和偏振，可以產(chǎn)生具有任意偏振、相位的矢量光場。

29、（5）本發(fā)明可以對活體組織和細(xì)胞進(jìn)行高分辨率成像，尤其適用于長時間活體研究，對活體細(xì)胞和組織的光損傷小，在神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域用于腦神經(jīng)和腦血管成像，能夠?qū)ι顚拥暮ｑR神經(jīng)元進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)成像，對腦血管進(jìn)行高速動態(tài)實時成像。

30、下面通過附圖和實施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。