用于双光子显微成像的宽带声光偏转器研究

摘要

神经元网络的结构和功能研究对了解大脑的信息处理和整合机制具有非常重要的意义。双光子显微成像技术具有空间分辨率高、成像深度大以及光损伤小等优点,有望为神经元网络研究提供一种重要的研究手段。为了监测神经元网络毫秒级的快速功能信号,需要进一步提高双光子显微成像技术的时间分辨率。声光偏转器作为一种光束扫描器件,扫描过程中不引入机械惯性,具有快速光栅式扫描和随机点扫描等多样性的扫描模式,近年来成为发展快速双光子显微成像技术的一种非常受欢迎的器件。相比于常规的检流计镜扫描,声光偏转器可实现的扫描范围较小,导致双光子显微镜的扫描视场较小,因而限制了对更大神经元网络的研究。本文从增大声光偏转器自身带宽的角度来扩大系统的扫描范围,以获得大视场的双光子显微成像系统。因此,本文围绕发展用于双光子显微镜的宽带声光偏转器,从声光偏转器的热效应分析、宽带声光偏转器的设计实现以及基于宽带声光偏转器构建大视场双光子显微成像系统三个部分展开研究。
　　(1)分析了声光偏转器的热源,分别研究了超声吸收和换能器发热两部分热源发热功率的计算方法。基于有限元分析软件,建立了声光偏转器热效应的数值分析模型,获得了声光偏转器空间温度分布及随时间变化的温度曲线的仿真结果,并用实验测量结果对仿真结果进行验证,证实了仿真模型的有效性。利用此仿真模型,可以方便地模拟各种复杂的器件结构,评估不同散热措施对应的声光偏转器热效应,这对于指导大功率声光偏转器的热设计是十分有用的。
　　(2)通过改进声光偏转器的设计参数,设计实现了波长为840nm,适用于双光子显微成像的宽带声光偏转器。实验测试结果表明,新器件的3dB带宽可以达到60MHz,衍射效率为40％-80％,扫描角度范围从原来的47mrad提高到了74mrad。为了降低声光晶体对超声的吸收,新器件的工作频率全部低于100MHz,频带设计打破了商品化器件普遍遵循的一倍频程原则,实践证明这种设计方法是可行的。
　　(3)基于以上定制的宽带声光偏转器,搭建了大视场的双光子显微成像系统。从色散补偿、系统光路、硬件和软件控制几部分进行研究,最后测试了系统所达到的成像性能。系统全场的空间分辨率为横向:0.58-2.12μm和纵向:2.17-3.07μm。在没有牺牲空间分辨率的前提下,系统总的扫描角度达到了93mrad(即5.3°),满足了显微物镜5-6°的可接受入射角要求。40倍物镜下系统的视场可以达到418μm,是常规的基于声光偏转器的双光子显微镜视场的两倍以上,为神经元网络的结构和功能研究提供了一个新的研究平台。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪论

1.1 双光子显微成像技术

1.2 声光偏转器的基本原理

1.3 声光偏转器在双光子显微镜中的应用进展

1.4 本文主要内容

2 声光偏转器的热效应分析a

2.1 引言

2.2 热源分析

2.3 基于ANSYS的仿真方法

2.4 仿真结果与实验验证

2.5 应用讨论

2.6 本章小结

3 宽带声光偏转器的设计与实现b

3.1 引言

3.2 宽带声光偏转器的设计

3.3 宽带声光偏转器的性能测试

3.4 讨论

3.5 本章小结

4 大视场双光子显微成像系统的实现

4.1 引言

4.2 色散补偿模块的设计

4.3 系统光路设计

4.4 硬件和软件控制

4.5 系统性能测试

4.6 本章小结

5 总结与展望

5.1 本文研究工作总结

5.2 本文主要创新点

5.3 研究展望

致谢

参考文献

附录 作者攻读博士学位期间发表的论文