[发明专利]一种非线性光学柔性内窥成像设备

说明书

技术领域

本发明涉及一种非线性光学柔性内窥成像设备，特别是采用多片微型中继透镜实现的小直径柔性成像光路，该光路的远端具有微型复消色差物镜，能够将外部二维扫描的多种波长超快激光脉冲通过远端可以以小弯曲半径弯曲的商用内窥镜的仪器通道聚焦至人体内部器官，从而激发出具有诊断意义的各种非线性光学信号，并通过光纤将各种非线性光学信号传输至体外非线性光学检测设备。本发明可用于临床实现早期癌症的无创检测。

背景技术

实现采用超短脉冲激光为激发光源，通过商用电子胃镜的仪器通道进入人体消化道进行非线性光学成像的扫描成像系统是非常困难的。首先非线性光学扫描内窥成像系统的一般性技术难点在于：1. 作为激发光的超短激光脉冲如何完整地，不展宽地被传输进去：常见的非线性光学效应包括双/三光子激发荧光（Two/Third-photon Excited Fluorescence, TPEF/Third PEF），双光子激发自发荧光（Two-photon Excited Autofluorescence,TPEAF），二/三次谐波发生（Second/Third Harmonic Generation,SHG/THG），相干反斯托克斯拉曼散射(Coherent Anti-Strokes Raman Scattering, CARS)等。这些非线性光学效应中除了需要荧光染料标记的双/三光子激发荧光不适用于人体，其他都适用于无标记（Label free）活体检测。这些非线性光学效应通常采用飞秒激光（双/三光子激发荧光，双光子激发自发荧光，二/三次谐波发生）或皮秒激光（相干反斯托克斯拉曼散射）作为激发光源。光源发出的超短激光脉冲在普通光纤和透镜等光学元件中传输主要受到自相位调制（Self Phase Modulation, SPM）和群速度延迟(Group Velocity Delay, GVD)这两种效应影响而展宽。首先考虑具有易弯曲等优点的光纤：光子晶体空心光纤能够低损耗不展宽地传输超短激光脉冲，因此已被应用于非线性光学扫描内窥成像系统；成像光纤束由数千至数万根单模光纤组成，由于每根单模光纤的直径仅为数微米，脉宽100fs 能量10nJ的激光脉冲在单模光纤中经过1cm的长度由于自相位调制效应就被展宽到1-10ps，峰值能量大大降低。能量越强，自相位调制效应越明显，且很难补偿。展宽后的激光脉冲继续在光线中传播会以群速度延迟效应带来的展宽为主，而这种展宽是可以被补偿的。展宽的激光脉冲会使非线性效应的激发效率大大降低。因此成像光纤束已被用于共聚焦内窥成像，而无法用于非线性光学成像。其次，到目前为止，无任何研究采用透镜实现超短激光脉冲在弯曲狭窄的电子胃镜的仪器通道内完整地，不展宽地（或展宽可补偿）传输。这是本发明的创新点之一。2. 如何以形成二维图像：非线性光学成像需要采用内部扫描或外部扫描来形成二维图像，而不能采用全场成像的方法。内部扫描是在内窥镜的远端采用压电微驱动器驱动单根光纤振动进行二维扫描或采用微机电系统微驱动器实现二维扫描。内部扫描的好处是可采用单根光子晶体光纤传输超短激光脉冲，缺点是无论是采用压电微驱动器还是微机电系统微驱动器，组装好的内窥镜的体积过大，特别是远端刚性部分过长，无法通过人体消化道的生理弯曲部以及商用电子胃镜的可弯曲部分。外部扫描是由外部的扫描器件负责将超短激光脉冲耦合入成像光纤束等二维传光元件，从而将激发光从远端传输到样品，再将样品的图像传递回远端。外部扫描的优点是方便与商用显微镜配合，无需另外搭建成像系统。其缺点是成像光纤束对超短激光脉冲严重展宽，无法用于非线性光学成像。本发明采用了外部扫描与透镜中继相结合。3. 样品内发射的各种非线性光学信号如何被高效率地收集：双光子激发自发荧光的激发波长是800nm左右，发射波长是516nm左右。二次谐波发生的激发波长是800nm左右，发射波长是400nm左右。三次谐波发生的激发波长是1200nm至1550nm左右，发射波长是400nm至500nm左右。相干反斯托克斯拉曼散射是四光子参与的三阶非线性效应，需要泵浦光波长为817nm，用光学参量放大器产生的斯托克斯光的波长为1064nm，反斯托克斯光的波长为663nm。可见，在非线性光学成像中，激发光波长与非线性效应波长相差很大，这为高信噪比检测带来了方便，但是对光学系统的设计提出很高的要求，因为会产生明显的色差，导致光学系统检测效率和成像质量大大降低。因此检测单一非线性效应的光学系统必须是消色差的，而检测多种非线性效应的光学系统必须是复消色差的，而且受限于内窥应用，对光学系统的直径和长度有很大限制，设计，加工和组装难度很高。本发明采用了多片微型透镜中继成像。单片微型透镜具有直径小，外形易加工等优点，但是色差较大，数值孔径较低。因此本项目采用了微型透镜只中继传输超快激光脉冲，不传输非线性光学信号，并采用了消色差设计，实现了光学系统的简化。