用于熒光顯微技術(shù)的多波長(zhǎng)激光耦合系統(tǒng)

周旻超， 王振亞， 方 懿， 羅剛銀， 張 哲， 孫曉潔

（1. 復(fù)旦大學(xué) 工程與應(yīng)用技術(shù)研究院，上海 200433；2. 中國(guó)科學(xué)院 蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所，江蘇 蘇州 215163）

1 引 言

近年來(lái)，熒光顯微技術(shù)發(fā)展快速，功能越來(lái)越高級(jí)，如共聚焦顯微鏡、光片顯微鏡、雙光子顯微鏡以及SIM，STED，STORM 等超分辨顯微鏡［1-2］，在多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用［3-4］。光源作為熒光顯微系統(tǒng)的重要組成部分，發(fā)展速度也很快［3］，從一開(kāi)始的鹵鎢燈到亮度更高的汞燈，再到現(xiàn)在更為主流的LED，發(fā)光效率和穩(wěn)定性越來(lái)越高，壽命越來(lái)越長(zhǎng)，但仍不能滿足高級(jí)熒光顯微系統(tǒng)對(duì)光束質(zhì)量、功率密度和單色性等方面的要求。

隨著半導(dǎo)體激光器和固體激光器產(chǎn)品的日益成熟［7-8］，它們具有體積小、壽命長(zhǎng)、光束質(zhì)量好等特點(diǎn)，因此成為高級(jí)熒光顯微系統(tǒng)的首選光源。為了使激光光源能更好地集成進(jìn)顯微系統(tǒng)，且保證良好的光束質(zhì)量，光纖耦合技術(shù)被越來(lái)越多地運(yùn)用［9］。通過(guò)將半導(dǎo)體或固體激光器出射光耦合進(jìn)一根光纖，再由光纖導(dǎo)入到顯微系統(tǒng)，這樣做的好處是由于光纖和線纜一樣是軟連接，使光源模塊可以和顯微系統(tǒng)分離開(kāi)，這樣利于產(chǎn)品的模塊化和小型化，另外光纖可以達(dá)到進(jìn)一步優(yōu)化光束質(zhì)量的效果，例如一臺(tái)準(zhǔn)單模激光器出射光耦合進(jìn)單模光纖后，光纖輸出的激光是光束質(zhì)量更好的單模激光，這樣就更符合這些高級(jí)熒光顯微系統(tǒng)對(duì)光源的要求。

目前，光纖耦合輸出的單波長(zhǎng)激光器的耦合效率一般在50%左右［10］。由于應(yīng)用的熒光染料不同，高級(jí)熒光顯微系統(tǒng)的光源一般由多個(gè)波長(zhǎng)的激光組成，國(guó)外已有多波長(zhǎng)耦合輸出的激光系統(tǒng)相關(guān)產(chǎn)品，但受限于特種光纖的制備和多波長(zhǎng)耦合技術(shù)的落后，國(guó)內(nèi)還一直未有成熟的產(chǎn)品面世。本文研發(fā)了一種可用于400~680 nm 多波長(zhǎng)激光的耦合器，可將此波段內(nèi)的多種波長(zhǎng)激光耦合進(jìn)一根單模光纖，并且各波長(zhǎng)激光都有較高的耦合效率。

2 原 理

耦合器主要由四維調(diào)整架和耦合光纖部件組成，如圖1 所示。四維調(diào)整架［11］是參考英國(guó)kineFLEX 系列產(chǎn)品自主研發(fā)設(shè)計(jì)的。這款調(diào)整架在X和Y兩個(gè)方向前后各有兩個(gè)調(diào)節(jié)旋鈕，可實(shí)現(xiàn)XY兩軸平移和傾斜4 個(gè)自由度的調(diào)節(jié)。四維調(diào)整架配合耦合光纖部件工作，由于耦合光纖部件預(yù)先調(diào)節(jié)好耦合透鏡和光纖的Z軸相對(duì)距離，因此四維調(diào)整架只需調(diào)節(jié)好入射激光相對(duì)于耦合透鏡的入射位置和角度，即可滿足4 個(gè)自由度的調(diào)節(jié)需求。與同類(lèi)型成熟的耦合產(chǎn)品相比（如索雷博的FiberPort 系列耦合器），F(xiàn)iberPort系列耦合器需要調(diào)節(jié)5 個(gè)自由度，調(diào)節(jié)難度上該耦合器低了一個(gè)數(shù)量級(jí)；調(diào)節(jié)時(shí)間上，自研耦合器只需幾分鐘，大幅減少。因此，自研耦合器在實(shí)際應(yīng)用中具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

圖1 光纖耦合器Fig.1 Optical fiber coupler

該耦合器的關(guān)鍵組成部分是耦合光纖部件。耦合光纖部件主要由耦合透鏡和單模光纖兩部分組成，通過(guò)精密的裝配方法調(diào)節(jié)耦合透鏡與單模光纖的相對(duì)位置，使它們成為一個(gè)組件。

光纖選型是一項(xiàng)重要的工作。因?yàn)榻咏?00 nm 的紫光部分在普通光纖中的損耗較大，普通光纖很難覆蓋整個(gè)可見(jiàn)光波段。這里選擇Nufern 公司的PM-S405-XP 特種光纖，這是一款熊貓型單模保偏光纖，其特點(diǎn)是在整個(gè)可見(jiàn)光范圍內(nèi)具有很高的傳播效率，光纖參數(shù)如表1 所示。光纖接頭采用帶陶瓷插芯的FC/PC 或FC/APC這種適用于單模光纖的接頭，此類(lèi)接頭的定位精度較高。研究表明，用帶有斜8°角的FC/APC 接頭會(huì)比FC/PC 接頭更適合于單模光纖耦合，因?yàn)镕C/PC 的平端面將部分激光反射回激光光源系統(tǒng)，這可能會(huì)引入光學(xué)噪聲，導(dǎo)致激光波長(zhǎng)的漂移和光譜的展寬［12］。

表1 單模光纖參數(shù)Tab.1 Parameters of SM fiber

2.1 耦合透鏡設(shè)計(jì)

耦合透鏡的作用是將平行的激光聚焦于一點(diǎn)進(jìn)入光纖中。光纖耦合一般需滿足兩個(gè)條件：一是聚焦后的激光光斑要小于光纖的模場(chǎng)直徑（Modal Field Diameter， MFD）；二是激光聚焦后入射光纖的NA（角度）要小于光纖接收光的最大NA。通常情況下，無(wú)法將所有激光都耦合進(jìn)光纖，常用耦合效率這項(xiàng)指標(biāo)來(lái)評(píng)判光纖耦合的效果，其定義為：

其中：η是耦合效率，P0是進(jìn)入光纖前的激光功率，P是光纖輸出的激光功率。為了達(dá)到較高的耦合效率，耦合透鏡的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，耦合透鏡焦距的選擇尤為重要。因?yàn)轳詈贤哥R焦距不僅決定了激光聚焦后光斑的尺寸，也決定了激光入射光纖NA 的尺寸。為了滿足光纖耦合條件且追求盡量高的耦合效率，激光的衍射極限光斑應(yīng)該等于光纖的MFD，如圖2（a）所示。根據(jù)以下公式來(lái)計(jì)算：

圖2 光纖耦合原理示意圖Fig.2 Schematic of fiber coupling principle

其中：Φsopt是衍射極限光斑直徑，λ是激光波長(zhǎng)，f是耦合透鏡焦距，D是入射光斑直徑（一般用1e2能量處的光斑來(lái)計(jì)算）。因此，式（2）可以推算出耦合透鏡的焦距f：

光纖選型后可以得知其模場(chǎng)直徑DMF在λ=405 nm 波長(zhǎng)下是3.3 μm，在λ=630 nm 波長(zhǎng)下是4.6 μm。激光器輸出光斑直徑（束腰處）為0.7~1 mm，代入式（3）得到耦合透鏡焦距是4~6.4 mm。

由于激光的入射光束是高斯分布，其光斑直徑在束腰位置處最小，由束腰位置往兩頭延伸光斑直徑會(huì)逐漸變大，在光纖耦合時(shí)需要注意調(diào)節(jié)束腰位置。通常情況下，無(wú)法將束腰位置剛好調(diào)在耦合透鏡的入射面，因此定義一個(gè)工作距離的最大范圍A，如圖2（b）所示。在此范圍內(nèi)認(rèn)為激光光斑直徑近似等于束腰直徑，A的計(jì)算公式為：

確定了耦合透鏡的焦距值，再考慮透鏡的尺寸、工作距等細(xì)節(jié)情況，耦合透鏡設(shè)計(jì)的基本要求如下：

（1）焦距為4.0~6.4 mm，工作距≥2 mm；

（2）透鏡口徑≤3 mm；

（3）以405，488，561 和638 nm 這4 個(gè)生物熒光成像常用的激發(fā)波段作為設(shè)計(jì)波長(zhǎng)；（4）聚焦后光斑小于衍射極限；

（5）在400~680 nm 內(nèi)由色差引起的焦點(diǎn)漂移小于5 μm。

通常將非球面透鏡［13］或雙膠合消色差透鏡用作耦合透鏡。非球面鏡一般用于單一波段激光的耦合，它能改善單透鏡成像時(shí)的球差，使聚焦后的光斑達(dá)到衍射極限，但無(wú)法消除多波長(zhǎng)系統(tǒng)的色差。因此，多波段激光耦合系統(tǒng)通常選用雙膠合消色差透鏡作為耦合透鏡。為了達(dá)到更好的消色差效果，用Zemax 仿真設(shè)計(jì)了一種3 片式透鏡組，在評(píng)價(jià)函數(shù)中重點(diǎn)控制軸向色差，通過(guò)玻璃配對(duì)實(shí)現(xiàn)色差要求。透鏡組由一片雙膠合和一片單透鏡組成，其模型如圖3（a）所示。該透鏡組的焦距是5.86 mm（λ=488 nm），工作距離為3 mm，口徑為3 mm。圖3（b）是耦合透鏡組的點(diǎn)列圖，可以看出聚焦光斑是滿足衍射極限的。此外，通過(guò)單模光纖耦合效率仿真，4 種波長(zhǎng)的耦合效率分別是61.4%，60.7%，60.3% 和60.0%。

圖3 耦合透鏡設(shè)計(jì)Fig.3 Design of coupling lens

同時(shí)仿真了一款參數(shù)類(lèi)似的雙膠合透鏡（Edmund 公司型號(hào)45089，焦距為6 mm，口徑為3 mm），將雙膠合透鏡與三片式透鏡組進(jìn)行比較。圖4 是二者焦點(diǎn)位置隨波長(zhǎng)的漂移曲線，雙膠合透鏡的焦點(diǎn)位置漂移小于20 μm，三片式透鏡組的焦點(diǎn)位置漂移小于3 μm。綜合考慮加工裝調(diào)誤差，不同波長(zhǎng)下20 μm 的焦點(diǎn)漂移對(duì)耦合效率還是有影響的，但3 μm 的焦點(diǎn)漂移對(duì)耦合效率完全沒(méi)有影響。因此，針對(duì)多波長(zhǎng)激光耦合時(shí)，三片式透鏡組的表現(xiàn)優(yōu)于雙膠合透鏡。

圖4 兩種透鏡焦點(diǎn)位置隨波長(zhǎng)漂移曲線比較Fig.4 Comparison of chromatic focal shift of two lens models

耦合透鏡設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行公差分析。常規(guī)的光學(xué)加工精度已能滿足要求，仿真分析了透鏡裝配對(duì)耦合效率的影響，發(fā)現(xiàn)透鏡組和光纖端面之間的位置關(guān)系引起的誤差對(duì)耦合效率的影響很大，主要是XY軸的偏移、XY軸的傾斜和Z軸（沿光軸方向）的偏移這5 項(xiàng)裝配公差，這些偏離公差與耦合效率的關(guān)系如圖5 所示。根據(jù)圖5，要使耦合效率盡量保持在最高水平，XY軸偏移量要控制在0.2 μm 以?xún)?nèi)，XY軸傾斜角要控制在0.5°以?xún)?nèi)，Z軸偏移量要控制在10 μm 以?xún)?nèi)。

圖5 耦合透鏡與光纖端面裝配誤差對(duì)耦合效率的影響Fig.5 Decay curves of coupling efficiency with adjustment errors between coupling lens and fiber end face

2.2 耦合光纖部件的結(jié)構(gòu)和裝調(diào)

耦合光纖部件是需要插入四維調(diào)整架的。由于四維調(diào)整架的內(nèi)孔是Φ12 mm 的圓孔，耦合光纖部件要與之配合就需要設(shè)計(jì)成外徑相同的圓柱形結(jié)構(gòu)，把耦合透鏡和光纖接頭安裝在圓柱孔內(nèi)并調(diào)節(jié)好耦合透鏡與光纖端面的相對(duì)位置。耦合透鏡和光纖端面的相對(duì)位置調(diào)節(jié)是最大的難點(diǎn)，一方面調(diào)節(jié)精度要求高，尤其是XY軸的偏移量要控制在0.2 μm 以?xún)?nèi)；另一方面，耦合光纖部件體積很小，一些高精度調(diào)節(jié)手段（如納米位移臺(tái)）難以使用。本文通過(guò)固定耦合透鏡組位置來(lái)調(diào)節(jié)光纖端面的位置，因?yàn)檎{(diào)節(jié)耦合透鏡會(huì)引入像差造成聚焦光斑變大，從而影響耦合效率。耦合光纖部件的結(jié)構(gòu)如圖6 所示，耦合透鏡組從前面安裝到圓柱形外框內(nèi)部并通過(guò)壓圈固定，光纖接頭從后面插入外框，在陶瓷插芯的前端有3 個(gè)頂絲去調(diào)節(jié)陶瓷插芯從而改變光纖端面纖芯的位置，陶瓷插芯后端有一圈小臺(tái)階用來(lái)對(duì)陶瓷插芯限位并配合頂絲調(diào)節(jié)。在完成調(diào)節(jié)后，在圓柱形外框上還有幾個(gè)小圓孔用來(lái)灌膠固定光纖接頭，確保整個(gè)耦合光纖部件的穩(wěn)定性。

圖6 耦合部件結(jié)構(gòu)Fig.6 Structural of coupling component

耦合光纖部件的組裝過(guò)程需要借助高精度長(zhǎng)導(dǎo)軌，主要分為兩個(gè)步驟。第一個(gè)步驟是檢查耦合透鏡組的安裝情況，耦合透鏡組預(yù)先安裝在一個(gè)鏡框內(nèi)，由于透鏡尺寸非常小，組裝過(guò)程透鏡可能會(huì)發(fā)生傾斜或偏心，因此組裝后需要通過(guò)測(cè)試判斷透鏡組的安裝質(zhì)量。測(cè)試方法如圖7（a）所示，用一臺(tái)光纖耦合輸出的激光器作為參考光源，光纖輸出頭安裝在導(dǎo)軌上的四維調(diào)整架中，耦合透鏡組通過(guò)一個(gè)固定座安裝在導(dǎo)軌上，光束質(zhì)量分析儀緊挨著耦合透鏡組，參考激光調(diào)整好方向正入射到耦合透鏡組后聚焦在光束質(zhì)量分析儀上，通過(guò)前后移動(dòng)耦合透鏡組找到光束質(zhì)量分析儀上出現(xiàn)最小光斑的位置，此時(shí)的光斑尺寸與理論值比較可以判斷透鏡組的安裝質(zhì)量。第二個(gè)步驟就是耦合光纖部件的調(diào)試，主要任務(wù)是調(diào)整光纖的位置。如圖7（b）所示，激光光源和耦合光纖部件在導(dǎo)軌上盡量拉遠(yuǎn)，通過(guò)四維調(diào)整架確保激光正入射到耦合光纖部件內(nèi)部的耦合透鏡組，光纖接頭的尾部固定在一維位移臺(tái)上，光纖的另一端接光功率計(jì)，通過(guò)3 個(gè)頂絲調(diào)節(jié)光纖端面纖芯的XY位置和入射角度，再通過(guò)一維位移臺(tái)調(diào)節(jié)光纖端面Z軸方向位置，調(diào)至光功率計(jì)接收的功率最高時(shí)即完成，此時(shí)點(diǎn)膠并松開(kāi)一維位移臺(tái)與光纖的連接。XY軸的偏移量要控制在0.2 μm 內(nèi)，但考慮到頂絲調(diào)節(jié)達(dá)不到這么高的精度，所以頂絲只是用于初定位，再通過(guò)四維調(diào)整架的精密調(diào)節(jié)可以使參考激光輸入光纖的功率達(dá)到最高。

圖7 耦合光纖部件裝調(diào)Fig.7 Assembly and adjustment of fiber coupling component

為了進(jìn)一步提高各激光波長(zhǎng)的耦合效率，還需要對(duì)激光合束進(jìn)行微調(diào)。不同波長(zhǎng)合束時(shí)，其指向性之間的夾角決定了耦合時(shí)聚焦光斑的位置偏差：

其中：Δd是不同波長(zhǎng)激光經(jīng)過(guò)耦合透鏡聚焦后光斑中心的距離，f是耦合透鏡焦距，θ是不同波長(zhǎng)激光合束時(shí)指向性之間的夾角。光纖耦合時(shí)，不同波長(zhǎng)的激光光斑的重疊程度越高越好，因此為了減小Δd，就要減小不同波長(zhǎng)激光指向性之間的夾角θ。通過(guò)微調(diào)用于激光合束的二色鏡的角度，不同波長(zhǎng)激光可以實(shí)現(xiàn)更好的合束性能，達(dá)到更高的耦合效率。

3 實(shí)驗(yàn)及討論

3.1 耦合透鏡測(cè)試實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證激光光斑聚焦后的性能，首先對(duì)耦合透鏡組的性能進(jìn)行測(cè)試。搭建的測(cè)試系統(tǒng)如圖8（a）所示，激光光源采用Cobolt 公司Skyra 系列四波長(zhǎng)激光器，4 種波長(zhǎng)分別是405，488，561和638 nm。經(jīng)過(guò)測(cè)試，4 種波長(zhǎng)激光的光斑直徑均是（0.7±0.1）mm；以488 nm 為參考波長(zhǎng)測(cè)試激光合束性能，其他波長(zhǎng)指向性與參考波長(zhǎng)之間的角度小于0.1 mrad。光束質(zhì)量分析儀（索雷博，BP209-VIS/M）可以測(cè)試2.5 μm 的光斑。以488 nm 激光為主，在光束質(zhì)量分析儀上找到最小光斑的位置，此時(shí)測(cè)試4 種波長(zhǎng)在光束質(zhì)量分析儀上的光斑尺寸和分布，其X軸和Y軸的光強(qiáng)分布如圖8（b）和8（c）所示。從圖中可以看出，各激光經(jīng)過(guò)耦合透鏡聚焦的光斑都有衍射效應(yīng)，其主峰都是較好的高斯分布，光斑尺寸較小。不同波長(zhǎng)激光光斑的中心位置有小于十幾微米的偏差，這主要是測(cè)試系統(tǒng)誤差造成的。由于不同波長(zhǎng)的光斑強(qiáng)度分布不是同一時(shí)間采集的，測(cè)試系統(tǒng)的振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致主峰的中心位置發(fā)生輕微抖動(dòng)。對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，用一定距離內(nèi)的強(qiáng)度積分與整個(gè)主峰內(nèi)的強(qiáng)度積分之比作為耦合效率的預(yù)估值，由于光纖的模場(chǎng)直徑是 3.3（λ=405 nm）~4.6 μm（λ=630 nm），結(jié)合測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算3.6 μm 和4.8 μm 下（光束質(zhì)量分析儀測(cè)試數(shù)據(jù)間隔是1.2 μm）4 種波長(zhǎng)的耦合效率，如表2 所示。從測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)看，耦合效率在60%~81%內(nèi)，符合設(shè)計(jì)預(yù)期，耦合透鏡的加工和裝配沒(méi)有明顯的誤差。

表2 耦合效率計(jì)算結(jié)果Tab.2 Calculation result of coupling efficiency（%）

圖8 耦合透鏡組測(cè)試結(jié)果Fig.8 Result of coupling lens test

3.2 耦合光纖部件裝調(diào)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖9 所示，選用488 nm 激光進(jìn)行調(diào)試，用Thorlabs 公司的光功率計(jì)（探頭型號(hào)S120C，表頭型號(hào)PM100D）先測(cè)試入射端激光功率，再放置到光纖出射端測(cè)試激光功率。入射激光通過(guò)四維調(diào)整架調(diào)整確保正入射到耦合透鏡組，調(diào)整3 個(gè)頂絲直至功率計(jì)顯示功率值最高；然后再沿著功率升高的方向微調(diào)一維位移臺(tái)，再微調(diào)頂絲至功率值最高，反復(fù)迭代調(diào)節(jié)直至功率值不再上升，此時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)四維調(diào)整架使激光功率繼續(xù)上升直至達(dá)到最高值。調(diào)節(jié)好后固定住光纖與外框之間的相對(duì)位置，用功率計(jì)測(cè)試激光功率，計(jì)算耦合效率，如表3 所示。4 種波長(zhǎng)的耦合效率在68%~72%內(nèi)，耦合效率保持較高且相對(duì)穩(wěn)定的水平。

表3 耦合效率測(cè)試結(jié)果Tab.3 Coupling efficiency test result

圖9 耦合光纖部件裝調(diào)Fig.9 Assembly and adjustment of coupling devices

3.3 光纖耦合實(shí)驗(yàn)

對(duì)安裝調(diào)試好的耦合光纖部件進(jìn)行測(cè)試，將部件插入連接四波長(zhǎng)激光光源的四維調(diào)整架中，光纖輸出端連接光功率計(jì)探頭，打開(kāi)488 nm 激光，調(diào)整四維調(diào)整架旋鈕使光功率計(jì)上的功率值最大，此時(shí)依次測(cè)試4 種波長(zhǎng)激光功率，耦合效率計(jì)算結(jié)果如表4 所示。4 種波長(zhǎng)的耦合效率均大于65%，在65%~70%內(nèi)。

表4 耦合效率測(cè)試Tab.4 Coupling efficiency test

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，耦合光纖部件的耦合效率達(dá)到了較高的水平，耦合效率在耦合透鏡測(cè)試實(shí)驗(yàn)中的預(yù)估范圍內(nèi)。比較表3 和表4，發(fā)現(xiàn)耦合光纖部件裝調(diào)時(shí)的耦合效率比最終測(cè)試時(shí)要稍高一些，其原因可能是裝調(diào)實(shí)驗(yàn)中入射耦合光纖部件的激光是從一根單模光纖中出射的，其光束質(zhì)量比進(jìn)行耦合實(shí)驗(yàn)時(shí)的自由空間輸出的激光更好，因此耦合效率相對(duì)也更高。

4 結(jié) 論

針對(duì)多波長(zhǎng)激光耦合產(chǎn)品國(guó)產(chǎn)化的問(wèn)題，本文研究了多波長(zhǎng)單模激光耦合的關(guān)鍵技術(shù)，研發(fā)了一套可用于400~680 nm 的多波長(zhǎng)激光耦合進(jìn)單模光纖的耦合器，采用三片式耦合透鏡組消除不同波長(zhǎng)間的色差從而得到更高的耦合效率，經(jīng)測(cè)試不同波長(zhǎng)激光的耦合效率均在65%以上。為了推進(jìn)耦合器的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，還需要對(duì)耦合器進(jìn)行大量的測(cè)試，通過(guò)不斷的優(yōu)化來(lái)提高其穩(wěn)定性和可靠性，爭(zhēng)取早日實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)單模光纖耦合激光器的國(guó)產(chǎn)化。