【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及集成化的光纤显微内窥领域，具体涉及一种基于双超透镜的全光纤光束调制和收集系统及其设计方法。
技术介绍
1、光纤是一种高效、紧凑的光子传输设备，具有灵活操作、强光约束以及长距离高效光传输等独特特性，在现代光学领域中具有重要的技术意义。光纤技术已广泛应用于光纤通信、光捕获、非线性光生成、传感和内窥镜成像等领域。其中，光纤内窥镜作为一种关键的成像器件，已在体医学成像中得到广泛应用。为解决光纤端面的发散问题，研究者提出了多种在光纤端面制造微型光学透镜的方法。这些方法在实现光束聚焦功能方面取得了一定进展。然而，现有技术依赖复杂且昂贵的制造工艺，难以保证光学元件的质量一致性，从而导致系统性能波动，限制了相关光学系统在实际应用中的可行性。
2、超表面技术的快速发展为优化传统光纤的光学性能提供了全新的平台。作为一种人工二维超材料，超表面具有在亚波长尺度上操控光的振幅、相位和偏振的独特能力，从而实现对输出光场波前的精确控制。超透镜作为超表面的一个重要分支，为在光纤端面创建高效的光束聚焦元件带来了前所未有的机遇。通过自上而下和自下而上的制造方法，如电子束光刻、聚焦离子束蚀刻以及双光子聚合技术，可在光纤端面制作超透镜以实现光束聚焦。然而，由于光纤端面尺寸的限制，超透镜难以实现足够的波前操控，难以达到超高数值孔径(na)的聚焦需求。
3、此外，当前微型多光子显微镜的荧光收集光路设计也面临挑战。这类系统通常采用显微物镜与单片聚光镜分离的简单光学构型，可以满足对弹道荧光光子的收集需求。然而，对于具有散射特性的样本(如活
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种基于双超透镜的全光纤光束调制和收集系统及其设计方法，解决现有技术中光纤端面发散、荧光收集效率低的问题。本专利技术通过双超透镜的设计与协同工作，实现对光束的精准调制和荧光信号的高效收集。
2、本专利技术提供一种基于双超透镜的全光纤光束调制和收集系统，包括单模光纤、无芯光纤扩束区和两个具有不同功能的超透镜，具体结构如下：
3、1.单模光纤：负责传输激发光，并收集被激发的荧光。
4、2.超透镜1：直径范围10μm-20μm，设置在单模光纤纤芯端面，用于将单模光纤输出的光束聚焦，并收集超透镜2聚焦的荧光回到单模光纤。
5、3.无芯光纤扩束区：将超透镜1聚焦的光束发散至更大的截面尺寸，与超透镜2的直径相匹配。
6、4.超透镜2：直径范围50μm-125μm，设置在无芯光纤扩束区端面，用于将超透镜1聚焦后发散的激发光再聚焦，以及将荧光聚焦至超透镜1的焦距位置。
7、其中，本专利技术中的超透镜1和超透镜2的组合设计借鉴了望远镜系统的原理，其中超透镜1为短焦距透镜，用于将单模光纤输出的激发光在无芯光纤扩束区内先聚焦，形成极小的腰斑，并进一步以更大的发散角在扩束区内发散。结合超透镜1和超透镜2的功能设计，优化光束传输路径，减小获得光斑直径范围为50μm-125μm激发光所需的无芯光纤扩束区长度；增加激发光波前调制面积，并增加荧光有效的收集范围，同时还能减少荧光在扩束区内的损耗，将荧光信号的收集效率提高至5倍以上。
8、超透镜由介质基底和介质纳米柱组成，通过改变纳米柱直径实现相位调控。所述介质纳米柱采用圆柱形的结构可以实现偏振无关的功能，避免了光纤中各种偏振态的干扰。
9、其中，介质纳米柱的排布方式由理想相位分布决定，所述超透镜1为了实现两个波长的消色差聚焦，超透镜所提供的相位延迟需要满足两个波长，其理想相位分布需要同时满足：
10、
11、其中，f为焦距，(x，y)为待设计超透镜表面上一点的坐标，λi为工作波长，c是与波长相关的常数项，用来提高相位匹配的自由度。
12、所述超透镜2需同时考虑激发光与荧光的光场调控，需对超透镜1聚焦后再发散的激发光高斯光束的相位分布以及荧光的相位分布进行负值处理，叠加聚焦相位以得到目标相位分布。超透镜2的相位分布需要同时满足：
13、
14、其中，λ1为单模光纤输入的激发波长，λ2为荧光的发射波长，l1为激发波长的聚焦位置，l2为超透镜1的聚焦光斑经无芯光纤扩束到光斑尺寸达到超透镜2直径大小的传输距离以及荧光的聚焦位置，r为经过超透镜1聚焦后高斯光束的曲率半径，zr为经过超透镜1聚焦后高斯光束的共焦参数。c是与波长相关的常数项，用来提高相位匹配的自由度。
15、为了在每个位置上得到和理想相位曲线最接近的单元结构，超透镜的排布方式采用粒子群优化算法。将不同波长下常数c的值作为每个种群的输入，得到理想相位分布并根据此分布寻找实际相位与理想相位差最小的单元排布方式，计算每个种群的适应度函数作为相位匹配的评价标准，通过粒子群的不断优化迭代，可以最终收敛到使适应度函数最小的全局最优解。适应度函数f可以表示为：
16、
17、其中，代表实际相位分布，m为半径采样数。
18、如图1所示，本专利技术中单模光纤的激发光束经过超透镜1聚焦，经过在扩束区发散至激发光光斑大小达到超透镜2的直径，由超透镜2重新聚焦至成像平面。当荧光被激发后，荧光信号通过超透镜2聚焦至超透镜1的焦距位置，减少了荧光在扩束区内的损耗，最终被超透镜1高效收集并耦合回单模光纤。
19、本专利技术具有的有益效果在于：
20、1.光束传输路径优化：超透镜1在无芯光纤扩束区内将激发光聚焦成极小腰斑，并增大光束发散角，为后续的扩束与再聚焦提供了理想的光束条件，使激发光束光斑大小与超透镜2直径相匹配，提供足够大的波前操纵面积。同时，通过结合超透镜1和超透镜2的功能设计，能够调整无芯光纤扩束区的长度，进一步优化了光束的传输路径。
21、2.荧光收集效率提高：通过超透镜2对荧光的相位调制，实现荧光的准直与再聚焦，最大限度地减少荧光信号的损耗。超透镜1和超透镜2的协同设计使被激发的荧光能够顺利收集至单模光纤中。
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1.一种基于双超透镜的全光纤光束调制和收集系统，包括单模光纤、无芯光纤扩束区和两个具有不同功能的超透镜，分别为超透镜1和超透镜2；其特征在于：所述两个超透镜直径不同，所述超透镜1放置于单模光纤纤芯的端面，直径范围10μm-20μm，用于将单模光纤输出的激发光束聚焦，并将来自超透镜2的荧光收集回单模光纤；所述超透镜2放置于无芯光纤扩束区的端面，直径范围达50μm-125μm，用于将经过无芯光纤扩束区后的光束再聚焦，同时将被激发的荧光聚焦至超透镜1的焦距位置。
2.根据权利要求1所述的一种基于双超透镜的全光纤光束调制和收集系统，其特征在于：所述超透镜1和超透镜2的组合设计借鉴了望远镜系统的原理，其中超透镜1为短焦距透镜，用于将单模光纤输出的激发光在无芯光纤扩束区内先聚焦，形成极小的腰斑，并进一步以更大的发散角在扩束区内发散。
3.根据权利要求1所述的一种基于双超透镜的全光纤光束调制和收集系统，其特征在于：通过结合超透镜1和超透镜2的功能设计，优化光束传输路径，减小获得光斑直径范围为50μm-125μm激发光所需的无芯光纤扩束区长度；增加激发光波前调制面积，并增
4.根据权利要求1所述的一种基于双超透镜的全光纤光束调制和收集系统，其特征在于：所述超透镜2对超透镜1聚焦后再发散的激发光进行调制，通过对激发光的高斯光束相位分布进行负值处理，并叠加聚焦相位，以实现先准直后聚焦的效果。超透镜2对激发光调制的相位分布：
5.根据权利要求1所述的一种基于双超透镜的全光纤光束调制和收集系统，其特征在于：所述超透镜2对被激发的荧光进行相位调制，被激发的荧光具有球面波的相位分布，超透镜2通过对荧光的球面波相位分布进行负值处理，并叠加聚焦相位，以实现荧光的先准直后聚焦效果，从而得到目标相位分布，具体相位分布为：
...【技术特征摘要】
1.一种基于双超透镜的全光纤光束调制和收集系统，包括单模光纤、无芯光纤扩束区和两个具有不同功能的超透镜，分别为超透镜1和超透镜2；其特征在于：所述两个超透镜直径不同，所述超透镜1放置于单模光纤纤芯的端面，直径范围10μm-20μm，用于将单模光纤输出的激发光束聚焦，并将来自超透镜2的荧光收集回单模光纤；所述超透镜2放置于无芯光纤扩束区的端面，直径范围达50μm-125μm，用于将经过无芯光纤扩束区后的光束再聚焦，同时将被激发的荧光聚焦至超透镜1的焦距位置。
2.根据权利要求1所述的一种基于双超透镜的全光纤光束调制和收集系统，其特征在于：所述超透镜1和超透镜2的组合设计借鉴了望远镜系统的原理，其中超透镜1为短焦距透镜，用于将单模光纤输出的激发光在无芯光纤扩束区内先聚焦，形成极小的腰斑，并进一步以更大的发散角在扩束区内发散。
3.根据权利要求1所述的一种基于双超透镜的全光纤光束调制和收集系统，其...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘淑静，石鑫，巨丹丹，杨佳心，蔡宇航，孟凡乐，
申请(专利权)人：天津医科大学，
类型：发明
国别省市：
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