声光调制在全光谱型激光共聚焦显微镜系统的应用

为了了解声光器件的工作原理，我们需要了解周期性结构中的衍涉现象。该现象被广泛应用于光学元件和光学仪器中的光栅。简单来说：当两个相干波发生干涉时，如果相干波相位相同，则会发生相长干涉，即振幅会相加；如果相位差为(180°)，则干涉会相消，当入射波具有相同的振幅时，发生相干后振幅为零。如果平面波与一个规则图案（网格）相互作用，则每个网格结构都会产生一个球面波。所有球面波都会相互干涉并产生周期图案。该干涉图样由栅元的距离、入射光的波长和被照射的栅元数量决定。栅元的大小决定模式的调制（由包络函数描述）。

电磁波也可以与三维点阵的元素相互作用。一个著名的应用是通过射线衍射结构分析[1]。这一技术已帮助科学家了解蛋白质结构和功能。射线晶体学基于：进入晶体的波将与其结构相互作用。在特定条件下，波将发生偏转。为了实现这一点，从晶格单元辐射出波的路径差必须是波长的倍数。在这种情况下，波相位相同，会引起相长干涉。布拉格条件[2]阐释了这种关系：

nλ = 2d sinα

解释见图2。在射线晶体学中，射线束照射在样品上。此处晶格的单元为原子。由于入射波长要和原子间距离在同一数量级，因此射线是一种合适的电磁源。通过记录射线从不同角度（如通过旋转样品）穿过样品后的一系列衍射图可以根据得到的信息重建晶格结构，即晶体中原子的组成和空间排列情况。

为了将这种现象转化为可见光体系，需要更大的晶格常数（层间距）。在光学晶体中引入机械波可以产生这种晶格。机械波导致介质元素利用密度较高和较低的模式，这一点从声波在空气中引起的密度模式中可以清楚看到。因此，这种晶格由折射率的周期性变化构成，因此称为折射率光栅[3]。机械（声）波的周期取决于所施加声音的频率。为了满足可见光的条件，应用的频率应在几百兆赫范围内。

如果光波和声波满足布拉格条件，光与声波（布里渊散射）的相互作用（作为近似值）与上述模型具有可比性。

事实上，偏转发生在两个方向，+1阶和-1阶，具有垂直极化。为了方便起见，我们可以在在这种情况下省略偏振效应。共聚焦显微镜中的光源是激光器及其配件，它们会发射强偏振光。因此，-1阶光不多，此处可以忽略。因此穿过光（0阶）与偏振无关。

如果满足布拉格条件，光只会衍射到一阶。由于声波的频率是可调的，因此可以控制哪种颜色的复合光束进入一阶方向。所有其他颜色将原封不动地穿过晶体并在零阶退出。此外，可以叠加一系列不同频率的声波，以便从一阶方向收集一组颜色。这使得单根谱线可以从一组激光中分离开来，或是从白激光光源中调谐选择可相应色带。

声光效应的效率取决于声波的振幅。随着声波能量的增加，相应颜色的衍射光部分将增加，直到全部发生衍射（饱和）。这使得声波可以在发生衍射的一阶处调节出口光束的强度，从而调节激发光对样品的激发强度。并且每种颜色都可以独立进行调节。

对于多色控制来说，（声光可调滤波器）可以通过频率选择所需颜色的光，同时通过振幅控制该颜色光的强度。因此，通过可以控制光源，使其强度独立可调，且多种颜色独立可调谐。

声波由安装在在声光晶体上的压电元件产生。为避免声波散射或产生驻波，将吸波材料安置在于晶体的对侧。

压电元件由功率放大器驱动，功率放大器的幅度和频率可以控制。通常，声波的频率范围在70到160之间。每种颜色都需要单独的频率；为了同时应用一组颜色时，在馈入放大器之前会先生成一组频率并叠加。

使用声光分光器 () [4]解决了用可调谐装置向光路引入多种颜色进行荧光染料激发的问题。原则上（但不是特别），它是一种以反向模式运行的声光可调滤波器。当调谐晶体反射所需的波长时，还可以准确地从一阶方向反向引入该波长。在这种情况下，光轴是通过晶体的非衍射路径。因此，激发光将沿光轴离开晶体，并可激发荧光染料。另一方面，发射光符合斯托克斯位移，即发射波长与激发光波长不同。因此，发射光不会在一阶退出，而是简单地穿过晶体并穿过光轴。然后可以将发射光送入光谱探测器，例如徕卡显微系统的光谱型探测器。由于在这种情况下使用非衍射路径，需要将晶体设计成不同的波长激发光通过一阶方向后同轴，而发射光将通过衍射进行偏转。因此必须通过适当的措施进行补偿。因此，声光分束器不仅仅是反向模式下的声光可调滤波器，还需要进行更多更复杂的设计。

在传统的成像系统中，必须选择激光管、谱线选择滤光片和衰减滤光片，以及适合所选激发波段和预期发射波段的分光镜，因此需要大量的平面光学滤光片装置，还需要了解激发波段、对应分光镜参数，并与相应荧光染料相结合。而使用和[5]的声光结合解决方案不需要任何平面光学设备，可以调节大量激发谱线，而且操作员不需要思考实验中哪个分光镜最适合（避免意外使用错误的分光镜！）。和单次操作同步控制，用来选择激发颜色，其余由显微系统自动设置和调整。

声光结合解决方案对于配备激光组的系统来说是一个很大的优势，可以控制大约8条不同的激光谱线。对于配备白激光的系统来说，这也是唯一合理的设计理念。可以从光谱中选择激发光的颜色，会自动确保准确地引入这些颜色，且发射光会有效地进入到检测系统中。这是唯一能在激发光谱中无级调节的系统。因此，如果采用白激光，则只有系统才能合理地完成任务。

1. Bragg WL: http://electrons.wikidot.com/x-ray-diffraction-and-bragg-s-law.
2. Refractive index grating: http://en.wikipedia.org/wiki/Acousto-optics.
3. Engelhardt J et al: Laserscanmikroskop. Patentschrift DE19944148 A1, filed Sep 15^th, 1999.
4. Borlinghaus RT: The White Confocal. Eur. Phys. J. Plus 127: 131 (2012); doi: 10.1140/epjp/i2012-12131-x.