一种基于笼式结构的真空腔内共聚焦显微成像系统及方法

1.一种基于笼式结构的真空腔内共聚焦显微成像系统，其特征在于，显微系统主体为笼式结构，包括：真空腔体、真空腔体密封盖板、石英窗口片、三维电动位移台、振镜系统、显微物镜、荧光显微镜筒、光机组件、激光器、单模光纤、光纤分束器、二向色镜、滤光片、成像CCD、单光子探测器、脉冲计数器、符合仪和计算机；其中，真空腔体：用于对三维电动位移台的安装以及对三维电动位移台和样品的密封；位于显微成像系统的左下侧，固定在光学平台上；真空腔体密封盖板：用于对真空腔体的密封；位于真空腔体上侧；石英窗口片：用于对真空腔体的密封；位于真空腔体密封盖板中心；三维电动位移台：用于样品的大范围扫描和研究区域定位；位于真空腔体内部下侧，与位移台控制器连接，位移台控制器与计算机连接；振镜系统：用于对激光精细扫描，由计算机精确控制扫描范围、扫描步距和扫描速率；安装在真空腔体密封盖板上侧，振镜系统与振镜驱镜器连接，振镜驱动器与计算机连接；显微物镜：用于聚焦激发样品的激光束，同时也用于收集真空腔或者低温腔内的样品辐射的荧光信号并耦合进单模光纤；悬挂于真空腔体密封盖的下侧，并置于真空腔体内部；荧光显微镜筒：由竖直方向的激光入射模块和水平方向的荧光收集模块组成，实现了将入射激光聚焦到样品上，并实现了对荧光信号的收集并耦合进单模光纤；位于显微物镜上侧，固定在显微镜悬臂上，显微镜悬臂固定在光学平板或者封装底座上；光机组件：用于对光学元件的固定和连接；位于该系统的光学元件安装以及各光学元件的连接处；光学元件包括：真空腔体密封盖板、石英窗口片、振镜系统、显微物镜、荧光显微镜筒、单模光纤、二向色镜、滤光片、成像CCD；激光器：用于对样品的光学激发，通过入射模块的单模光纤将激光器发出的激光耦合进入该系统的激光入射模块；位于光学平板或者封装底座上；单模光纤：用于将入射激光耦合进该成像系统以及耦合收集端的荧光信号进入光纤分束器；在激光入射模块尾端和荧光收集模块尾端各有一根单模光纤；光纤分束器：实现对荧光信号的分束；与荧光收集端口的单模光纤尾端通过光纤法兰连接，固定在光学平台或者封装底座上；二向色镜：实现对入射激光的反射，将入射激光反射到显微物镜的尾端，用于对样品荧光的激发，同时也实现了对样品辐射荧光的透射，目的在于过滤掉入射激光；位于显微物镜上侧；滤光片：实现进一步地过滤激光信号，增强荧光信号的信噪比；滤光片位于二向色镜与耦合收集端中间，滤光片与收集端光束传播方向垂直；成像CCD：实现对样品表面形貌的成像，用于观察和定位样品表面的结构单元和研究区域；位于荧光显微镜筒的下侧，固定在显微镜悬臂上侧底部；单光子探测器：实现对单光子水平的微弱荧光信号的光子计数；两个单光子探测器分别与光纤分束器的两个尾端连接，固定在光学平台或者安装底座上；脉冲计数器：实现对单光子探测器信号的读出；脉冲计数器与其中一个单光子探测器连接，位于光学平台上或者控制器机箱内；符合仪：实现对两路单光子探测器信号的符合测量，用于分析荧光光源的单光子性质；位于光学平台上或者控制器机箱内；计算机：实现对三维电动位移台的控制；实现对单光子探测器探测到的光子计数进行实时显示、记录以及分析；实现对符合仪探测结果的数据处理，用于分析荧光光源的单光子性。 2.根据权利要求1所述的一种基于笼式结构的真空腔内共聚焦显微成像系统，其特征在于：在低温环境中，所述三维电动位移台采用最低温度4K的低温兼容的三维电动位移台，同时兼容真空环境和低温环境系统使用。 3.根据权利要求1所述的一种基于笼式结构的真空腔内共聚焦显微成像系统，其特征在于：所述真空腔体上表面有沟槽，沟槽用于放置密封橡胶圈，真空腔体通过密封胶圈和真空腔体密封盖密封；真空腔体上侧边沿有下凹的定位孔，定位孔用于装配真空腔体密封盖时定位；真空腔体密封盖上有通光孔，通过石英窗口片和密封胶圈密封，石英窗口片用于透过腔外的激光束和腔内的荧光信号；真空腔体密封盖上侧的通光孔周边有内螺纹接口，内螺纹接口内部放置卡环，卡环用于固定石英窗口片。 4.根据权利要求1或3所述的基于笼式结构的真空腔内共聚焦显微成像系统，其特征在于：真空腔体密封盖上侧有多个螺纹孔，真空腔体密封盖上侧的螺纹孔用于固定振镜系统；真空腔体密封盖上侧有定位孔，用于装配真空腔体密封盖时定位；真空腔体密封盖下侧有下凸的定位孔，用于装配真空腔体密封盖时定位。 5.根据权利要求1或3所述的基于笼式结构的真空腔内共聚焦显微成像系统，其特征在于：所述真空腔体密封盖下侧有多个螺纹孔，真空腔体密封盖下侧的螺纹孔用于固定安装板，安装板上有笼式装配支杆，笼式装配支杆上有笼式安装板，笼式安装板上固定有显微物镜，通过调节笼式安装板相对笼式装配支杆的相对位置来调节显微物镜的高度。 6.根据权利要求1所述的一种基于笼式结构的真空腔内共聚焦显微成像系统，其特征在于：所述显微物镜悬挂在真空腔体密封盖下侧，即显微物镜置于真空腔体内部，使用大数值孔径，即最大NA=0.9和短工作距离，最短1毫米的显微物镜，提高对荧光的收集效率和成像分辨率，显微物镜用于聚焦激发样品的激光束，同时也用于收集真空腔或者低温腔内的样品辐射的荧光信号。 7.根据权利要求1所述的一种基于笼式结构的真空腔内共聚焦显微成像系统，其特征在于：所述三维电动位移台位于真空腔体内部，控制电缆通过真空密封法兰引出到真空腔体外部，三维电动位移台通过控制电缆与位移台控制器连接，位移台控制器通过USB线与计算机连接，用于样品的大范围扫描和研究区域定位。 8.根据权利要求1所述的一种基于笼式结构的真空腔内共聚焦显微成像系统，其特征在于：位于真空腔体上侧的振镜系统通过控制电缆与振镜驱动器连接，振镜驱动器通过USB线与计算机连接，通过计算机精确控制振镜系统的扫描范围、扫描步距和扫描速率、具有控制精度高、稳定性高优点。 9.根据权利要求1所述的一种基于笼式结构的真空腔内共聚焦显微成像系统，其特征在于：所述荧光显微镜筒由竖直方向的激光入射模块和水平方向的荧光收集模块组成，二者相互垂直，能独立调节；激光器发射的激光由单模光纤耦合进激光入射模块，经二向色镜反射到XY二维扫描振镜上，再由镜振镜反射到显微物镜尾端，入射激光经显微物镜聚焦到真空腔或低温腔内的样品上；样品辐射的荧光信号通过同一个显微物镜形成近平行光，出射荧光透过二向色镜和滤光片，最后通过荧光收集模块耦合进单模光纤。 10.根据权利要求1或9所述的基于笼式结构的真空腔内共聚焦显微成像系统，其特征在于：所述激光入射模块由单模光纤、光纤转接件、XY二维平移调节架、非球面透镜、Z轴平移安装座、笼式装配支杆、二维光学调整架、笼式结构转接件装配而成；单模光纤与光纤转接件连接，光纤转接件是固定在XY二维平移调节架上的，非球面透镜固定在Z轴平移安装座上；XY二维平移调节架、Z轴平移安装座、二维光学调整架通过笼式装配支杆连接和固定；入射激光通过单模光纤耦合进显微成像系统，入射激光的入射方向和空间位置通过XY二维平移调节架和二维光学调整架进行调节，入射激光的束腰位置和大小通过Z轴平移安装座进行调节。 11.根据权利要求1或9所述的基于笼式结构的真空腔内共聚焦显微成像系统，其特征在于：所述荧光收集模块由二维光学调整架、笼式装配支杆、Z轴平移安装座、消色差非球面透镜、XY二维平移调节架、光纤转接件、单模光纤、笼式结构转接件装配而成；单模光纤与光纤转接件连接，光纤转接件是固定在XY二维平移调节架上的，消色差非球面透镜固定在Z轴平移安装座上；通过调节二维光学调整架、Z轴平移安装座、XY二维平移调节架来快速地优化荧光信号耦合进单模光纤的耦合效率。 12.根据权利要求1所述的一种基于笼式结构的真空腔内共聚焦显微成像系统，其特征在于：所述显微镜筒位于真空腔体外部，所述激光扫描共聚焦显微系统的主体采用稳定的笼式结构，由易于安装和拆卸的笼式结构光机组件组装而成，方便快捷地针对不同波长的激发激光和荧光信号进行优化调整。 13.根据权利要求1所述的一种基于笼式结构的真空腔内共聚焦显微成像系统，其特征在于：所述显微镜筒是固定在显微镜悬臂上的，显微镜筒的高度根据真空腔体的高度进行调节。 14.根据权利要求1所述的一种基于笼式结构的真空腔内共聚焦显微成像系统，其特征在于：所述荧光显微镜筒的下侧有成像CCD，成像CCD固定在显微镜悬臂上成像CCD上侧有可选的反射镜，需要对样品表明形貌成像或定位研究区域时，插入反射镜即可；需要耦合荧光信号时，拔出反射镜即可。 15.根据权利要求1所述的一种基于笼式结构的真空腔内共聚焦显微成像系统，其特征在于：所述荧光收集模块顶部的单模光纤对荧光进行空间滤波，滤除杂散光和部分背景信号，以提高荧光信号的信噪比；同时，单模光纤耦合输出更加方便于后续荧光强度探测、光谱分析、单光子源性质分析以及单光子源的应用。 16.根据权利要求1所述的一种基于笼式结构的真空腔内共聚焦显微成像系统，其特征在于：所述荧光收集模块尾部的单模光纤与光纤分束器相连接，光纤分束器的两个输出端口分别与两个单光子探测器连接，其中一个单光子探测器的信号输出端口通过BNC连接线与脉冲计数器信号输入端口连接，脉冲计数器通过USB连接线与计算机连接，用于实时探测和显示真空腔或低温腔内荧光强度。 17.根据权利要求1所述的一种基于笼式结构的真空腔内共聚焦显微成像系统，其特征在于：所述两个单光子探测器的信号输出端口分别与符合仪的两个信号输入端口通过BNC连接线相连接，符合仪通过USB连接线与计算机连接，用于测量和分析真空腔内或低温腔内的单光子源的性质。 18.一种基于笼式结构的真空腔内共聚焦显微成像方法，其特征在于，实现如下：样品固定在真空腔体内的三维位移台上，将固定有显微物镜和石英窗口片的真空腔体密封盖盖在真空腔体上侧，通过密封橡胶圈进行密封，并将振镜系统固定在真空腔体上侧，然后通过真空泵将真空腔体内抽成真空环境，如果需要低温环境，则在腔内压强低于10 -1 Pa之后对样品台进行降温；激光器发射的激光通过激光入射模块尾端的单模光纤耦合到共聚焦显微系统，通过调节竖直方向的激光入射模块中的XY二维平移调节架和二维光学调整架来控制入射激光的入射方向和空间位置，通过调节Z轴平移安装座来控制入射激光的束腰位置和大小；激光经过下侧的二向色镜反射到左侧的振镜系统中，再经过振镜系统中的两个反射镜反射之后透过石英窗口片到达显微物镜尾端，最后激光束被显微物镜聚焦到固定在三维电动位移台上的样品表面；样品辐射的荧光经过显微物镜收集并转换成近平行光，然后向上透过石英窗口片到真空腔体外部，再经振镜反射后透过二向色镜，荧光方向为水平方向；如果需要表征样品表面的形貌或者定位研究区域，则插入成像CCD上侧的反射镜，计算机控制三维位移台进行移动和扫描，通过CCD和计算机实时成像样品表面形貌，如果需要收集荧光并做后续的信号分析，则拔出成像CCD上侧的反射镜；荧光信号经过滤光片进一步过滤掉激光和杂散光之后进入荧光收集模块，通过调节二维光学调整架、Z轴平移安装座、XY二维平移调节架光机组件来快速地优化荧光信号耦合进单模光纤的耦合效率；荧光收集模块上的单模光纤另一端与光纤分束器通过光纤法兰对接，光束被一分为二，光纤分束器的两个输出端口分别连接到两个单光子探测上，其中一个单光探测器的信号输出端口与脉冲计数器连接，脉冲计数器与计算机连接，通过计算机实时显示和分析样品辐射的荧光强度信号，并记录和存储荧光强度的变化；通过计算机对振镜系统的控制来精细地扫描入射激光聚焦到样品表面的位置，再配合脉冲计数器实时记录每个光斑下的荧光在积分时间内的荧光强度，从而实现对样品表面荧光的二维高精度成像；两个单光子探测器分别与符合仪的两个信号输入端口连接，符合仪与计算机连接，通过符合仪和计算机分析荧光光源的单光子性质；荧光收集模块尾端的单模光纤将收集到的荧光耦合到用户的光谱仪进行光谱分析，或耦合到用户自定义的光学或光电系统进行使用和分析。