用于熒光顯微技術的多波長激光耦合系統

周旻超， 王振亞， 方 懿， 羅剛銀， 張 哲， 孫曉潔

（1. 復旦大學 工程與應用技術研究院，上海 200433；2. 中國科學院 蘇州生物醫學工程技術研究所，江蘇 蘇州 215163）

1 引 言

近年來，熒光顯微技術發展快速，功能越來越高級，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］，在多個領域發揮著重要的作用［3-4］。光源作為熒光顯微系統的重要組成部分，發展速度也很快［3］，從一開始的鹵鎢燈到亮度更高的汞燈，再到現在更為主流的LED，發光效率和穩定性越來越高，壽命越來越長，但仍不能滿足高級熒光顯微系統對光束質量、功率密度和單色性等方面的要求。

隨著半導體激光器和固體激光器產品的日益成熟［7-8］，它們具有體積小、壽命長、光束質量好等特點，因此成為高級熒光顯微系統的首選光源。為了使激光光源能更好地集成進顯微系統，且保證良好的光束質量，光纖耦合技術被越來越多地運用［9］。通過將半導體或固體激光器出射光耦合進一根光纖，再由光纖導入到顯微系統，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分離開，這樣利于產品的模塊化和小型化，另外光纖可以達到進一步優化光束質量的效果，例如一臺準單模激光器出射光耦合進單模光纖后，光纖輸出的激光是光束質量更好的單模激光，這樣就更符合這些高級熒光顯微系統對光源的要求。

目前，光纖耦合輸出的單波長激光器的耦合效率一般在50%左右［10］。由于應用的熒光染料不同，高級熒光顯微系統的光源一般由多個波長的激光組成，國外已有多波長耦合輸出的激光系統相關產品，但受限于特種光纖的制備和多波長耦合技術的落后，國內還一直未有成熟的產品面世。本文研發了一種可用于400~680 nm 多波長激光的耦合器，可將此波段內的多種波長激光耦合進一根單模光纖，并且各波長激光都有較高的耦合效率。

2 原 理

耦合器主要由四維調整架和耦合光纖部件組成，如圖1 所示。四維調整架［11］是參考英國kineFLEX 系列產品自主研發設計的。這款調整架在X和Y兩個方向前后各有兩個調節旋鈕，可實現XY兩軸平移和傾斜4 個自由度的調節。四維調整架配合耦合光纖部件工作，由于耦合光纖部件預先調節好耦合透鏡和光纖的Z軸相對距離，因此四維調整架只需調節好入射激光相對于耦合透鏡的入射位置和角度，即可滿足4 個自由度的調節需求。與同類型成熟的耦合產品相比（如索雷博的FiberPort 系列耦合器），FiberPort系列耦合器需要調節5 個自由度，調節難度上該耦合器低了一個數量級；調節時間上，自研耦合器只需幾分鐘，大幅減少。因此，自研耦合器在實際應用中具有明顯的優勢。

圖1 光纖耦合器Fig.1 Optical fiber coupler

該耦合器的關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，通過精密的裝配方法調節耦合透鏡與單模光纖的相對位置，使它們成為一個組件。

光纖選型是一項重要的工作。因為接近400 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可見光波段。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，其特點是在整個可見光范圍內具有很高的傳播效率，光纖參數如表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 接頭會比FC/PC 接頭更適合于單模光纖耦合，因為FC/PC 的平端面將部分激光反射回激光光源系統，這可能會引入光學噪聲，導致激光波長的漂移和光譜的展寬［12］。

表1 單模光纖參數Tab.1 Parameters of SM fiber

2.1 耦合透鏡設計

耦合透鏡的作用是將平行的激光聚焦于一點進入光纖中。光纖耦合一般需滿足兩個條件：一是聚焦后的激光光斑要小于光纖的模場直徑（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，無法將所有激光都耦合進光纖，常用耦合效率這項指標來評判光纖耦合的效果，其定義為：

其中：η是耦合效率，P0是進入光纖前的激光功率，P是光纖輸出的激光功率。為了達到較高的耦合效率，耦合透鏡的設計是關鍵，耦合透鏡焦距的選擇尤為重要。因為耦合透鏡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該等于光纖的MFD，如圖2（a）所示。根據以下公式來計算：

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，f是耦合透鏡焦距，D是入射光斑直徑（一般用1e2能量處的光斑來計算）。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直徑DMF在λ=405 nm 波長下是3.3 μm，在λ=630 nm 波長下是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逐漸變大，在光纖耦合時需要注意調節束腰位置。通常情況下，無法將束腰位置剛好調在耦合透鏡的入射面，因此定義一個工作距離的最大范圍A，如圖2（b）所示。在此范圍內認為激光光斑直徑近似等于束腰直徑，A的計算公式為：

確定了耦合透鏡的焦距值，再考慮透鏡的尺寸、工作距等細節情況，耦合透鏡設計的基本要求如下：

（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 個生物熒光成像常用的激發波段作為設計波長；（4）聚焦后光斑小于衍射極限；

（5）在400~680 nm 內由色差引起的焦點漂移小于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的球差，使聚焦后的光斑達到衍射極限，但無法消除多波長系統的色差。因此，多波段激光耦合系統通常選用雙膠合消色差透鏡作為耦合透鏡。為了達到更好的消色差效果，用Zemax 仿真設計了一種3 片式透鏡組，在評價函數中重點控制軸向色差，通過玻璃配對實現色差要求。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）是耦合透鏡組的點列圖，可以看出聚焦光斑是滿足衍射極限的。此外，通過單模光纖耦合效率仿真，4 種波長的耦合效率分別是61.4%，60.7%，60.3% 和60.0%。

圖3 耦合透鏡設計Fig.3 Design of coupling lens

同時仿真了一款參數類似的雙膠合透鏡（Edmund 公司型號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行比較。圖4 是二者焦點位置隨波長的漂移曲線，雙膠合透鏡的焦點位置漂移小于20 μm，三片式透鏡組的焦點位置漂移小于3 μm。綜合考慮加工裝調誤差，不同波長下20 μm 的焦點漂移對耦合效率還是有影響的，但3 μm 的焦點漂移對耦合效率完全沒有影響。因此，針對多波長激光耦合時，三片式透鏡組的表現優于雙膠合透鏡。

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

耦合透鏡設計完成后進行公差分析。常規的光學加工精度已能滿足要求，仿真分析了透鏡裝配對耦合效率的影響，發現透鏡組和光纖端面之間的位置關系引起的誤差對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 項裝配公差，這些偏離公差與耦合效率的關系如圖5 所示。根據圖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 以內，XY軸傾斜角要控制在0.5°以內，Z軸偏移量要控制在10 μm 以內。

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

2.2 耦合光纖部件的結構和裝調

耦合光纖部件是需要插入四維調整架的。由于四維調整架的內孔是Φ12 mm 的圓孔，耦合光纖部件要與之配合就需要設計成外徑相同的圓柱形結構，把耦合透鏡和光纖接頭安裝在圓柱孔內并調節好耦合透鏡與光纖端面的相對位置。耦合透鏡和光纖端面的相對位置調節是最大的難點，一方面調節精度要求高，尤其是XY軸的偏移量要控制在0.2 μm 以內；另一方面，耦合光纖部件體積很小，一些高精度調節手段（如納米位移臺）難以使用。本文通過固定耦合透鏡組位置來調節光纖端面的位置，因為調節耦合透鏡會引入像差造成聚焦光斑變大，從而影響耦合效率。耦合光纖部件的結構如圖6 所示，耦合透鏡組從前面安裝到圓柱形外框內部并通過壓圈固定，光纖接頭從后面插入外框，在陶瓷插芯的前端有3 個頂絲去調節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階用來對陶瓷插芯限位并配合頂絲調節。在完成調節后，在圓柱形外框上還有幾個小圓孔用來灌膠固定光纖接頭，確保整個耦合光纖部件的穩定性。

圖6 耦合部件結構Fig.6 Structural of coupling component

耦合光纖部件的組裝過程需要借助高精度長導軌，主要分為兩個步驟。第一個步驟是檢查耦合透鏡組的安裝情況，耦合透鏡組預先安裝在一個鏡框內，由于透鏡尺寸非常小，組裝過程透鏡可能會發生傾斜或偏心，因此組裝后需要通過測試判斷透鏡組的安裝質量。測試方法如圖7（a）所示，用一臺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軌上的四維調整架中，耦合透鏡組通過一個固定座安裝在導軌上，光束質量分析儀緊挨著耦合透鏡組，參考激光調整好方向正入射到耦合透鏡組后聚焦在光束質量分析儀上，通過前后移動耦合透鏡組找到光束質量分析儀上出現最小光斑的位置，此時的光斑尺寸與理論值比較可以判斷透鏡組的安裝質量。第二個步驟就是耦合光纖部件的調試，主要任務是調整光纖的位置。如圖7（b）所示，激光光源和耦合光纖部件在導軌上盡量拉遠，通過四維調整架確保激光正入射到耦合光纖部件內部的耦合透鏡組，光纖接頭的尾部固定在一維位移臺上，光纖的另一端接光功率計，通過3 個頂絲調節光纖端面纖芯的XY位置和入射角度，再通過一維位移臺調節光纖端面Z軸方向位置，調至光功率計接收的功率最高時即完成，此時點膠并松開一維位移臺與光纖的連接。XY軸的偏移量要控制在0.2 μm 內，但考慮到頂絲調節達不到這么高的精度，所以頂絲只是用于初定位，再通過四維調整架的精密調節可以使參考激光輸入光纖的功率達到最高。

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

為了進一步提高各激光波長的耦合效率，還需要對激光合束進行微調。不同波長合束時，其指向性之間的夾角決定了耦合時聚焦光斑的位置偏差：

其中：Δd是不同波長激光經過耦合透鏡聚焦后光斑中心的距離，f是耦合透鏡焦距，θ是不同波長激光合束時指向性之間的夾角。光纖耦合時，不同波長的激光光斑的重疊程度越高越好，因此為了減小Δd，就要減小不同波長激光指向性之間的夾角θ。通過微調用于激光合束的二色鏡的角度，不同波長激光可以實現更好的合束性能，達到更高的耦合效率。

3 實驗及討論

3.1 耦合透鏡測試實驗

為了驗證激光光斑聚焦后的性能，首先對耦合透鏡組的性能進行測試。搭建的測試系統如圖8（a）所示，激光光源采用Cobolt 公司Skyra 系列四波長激光器，4 種波長分別是405，488，561和638 nm。經過測試，4 種波長激光的光斑直徑均是（0.7±0.1）mm；以488 nm 為參考波長測試激光合束性能，其他波長指向性與參考波長之間的角度小于0.1 mrad。光束質量分析儀（索雷博，BP209-VIS/M）可以測試2.5 μm 的光斑。以488 nm 激光為主，在光束質量分析儀上找到最小光斑的位置，此時測試4 種波長在光束質量分析儀上的光斑尺寸和分布，其X軸和Y軸的光強分布如圖8（b）和8（c）所示。從圖中可以看出，各激光經過耦合透鏡聚焦的光斑都有衍射效應，其主峰都是較好的高斯分布，光斑尺寸較小。不同波長激光光斑的中心位置有小于十幾微米的偏差，這主要是測試系統誤差造成的。由于不同波長的光斑強度分布不是同一時間采集的，測試系統的振動會導致主峰的中心位置發生輕微抖動。對測試結果進行計算，用一定距離內的強度積分與整個主峰內的強度積分之比作為耦合效率的預估值，由于光纖的模場直徑是 3.3（λ=405 nm）~4.6 μm（λ=630 nm），結合測試數據計算3.6 μm 和4.8 μm 下（光束質量分析儀測試數據間隔是1.2 μm）4 種波長的耦合效率，如表2 所示。從測試數據來看，耦合效率在60%~81%內，符合設計預期，耦合透鏡的加工和裝配沒有明顯的誤差。

表2 耦合效率計算結果Tab.2 Calculation result of coupling efficiency（%）

圖8 耦合透鏡組測試結果Fig.8 Result of coupling lens test

3.2 耦合光纖部件裝調實驗

實驗系統如圖9 所示，選用488 nm 激光進行調試，用Thorlabs 公司的光功率計（探頭型號S120C，表頭型號PM100D）先測試入射端激光功率，再放置到光纖出射端測試激光功率。入射激光通過四維調整架調整確保正入射到耦合透鏡組，調整3 個頂絲直至功率計顯示功率值最高；然后再沿著功率升高的方向微調一維位移臺，再微調頂絲至功率值最高，反復迭代調節直至功率值不再上升，此時通過調節四維調整架使激光功率繼續上升直至達到最高值。調節好后固定住光纖與外框之間的相對位置，用功率計測試激光功率，計算耦合效率，如表3 所示。4 種波長的耦合效率在68%~72%內，耦合效率保持較高且相對穩定的水平。

表3 耦合效率測試結果Tab.3 Coupling efficiency test result

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

3.3 光纖耦合實驗

對安裝調試好的耦合光纖部件進行測試，將部件插入連接四波長激光光源的四維調整架中，光纖輸出端連接光功率計探頭，打開488 nm 激光，調整四維調整架旋鈕使光功率計上的功率值最大，此時依次測試4 種波長激光功率，耦合效率計算結果如表4 所示。4 種波長的耦合效率均大于65%，在65%~70%內。

表4 耦合效率測試Tab.4 Coupling efficiency test

從實驗結果來看，耦合光纖部件的耦合效率達到了較高的水平，耦合效率在耦合透鏡測試實驗中的預估范圍內。比較表3 和表4，發現耦合光纖部件裝調時的耦合效率比最終測試時要稍高一些，其原因可能是裝調實驗中入射耦合光纖部件的激光是從一根單模光纖中出射的，其光束質量比進行耦合實驗時的自由空間輸出的激光更好，因此耦合效率相對也更高。

4 結 論

針對多波長激光耦合產品國產化的問題，本文研究了多波長單模激光耦合的關鍵技術，研發了一套可用于400~680 nm 的多波長激光耦合進單模光纖的耦合器，采用三片式耦合透鏡組消除不同波長間的色差從而得到更高的耦合效率，經測試不同波長激光的耦合效率均在65%以上。為了推進耦合器的產業化進程，還需要對耦合器進行大量的測試，通過不斷的優化來提高其穩定性和可靠性，爭取早日實現多波長單模光纖耦合激光器的國產化。