專利名稱：一種基于ktn晶體的變焦透鏡的軸向隨機(jī)掃描方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種新型的KTN晶體(鉭鈮酸鉀晶體)，以及基于該KTN晶體的變焦透 鏡的軸向隨機(jī)掃描方法，可以與顯微成像技術(shù)結(jié)合實(shí)現(xiàn)快速軸向隨機(jī)掃描，應(yīng)用于神經(jīng)生 物學(xué)等學(xué)科的研究。
背景技術(shù)：
雙光子隨機(jī)掃描顯微成像技術(shù)是研究神經(jīng)元及神經(jīng)回路功能的有力工具。為了得 到足夠信噪比的雙光子熒光信號(hào)，雙光子隨機(jī)掃描顯微成像技術(shù)要求掃描光束在某一感興 趣點(diǎn)能夠停留足夠長(zhǎng)的時(shí)間(> 10 μ S)，并且能夠在多個(gè)感興趣點(diǎn)之間快速切換(速度在 10 μ S量級(jí))?；诼暪馄D(zhuǎn)器的二維隨機(jī)掃描技術(shù)已經(jīng)成熟，但是三維隨機(jī)掃描技術(shù)還不能很 好地滿足神經(jīng)科學(xué)研究的需求，主要原因是光軸方向的隨機(jī)掃描技術(shù)還不夠成熟。Peter Saggau研究小組利用4個(gè)聲光偏轉(zhuǎn)器使光束在光軸方向快速隨機(jī)掃描，能 滿足隨機(jī)掃描對(duì)感興趣點(diǎn)的停留時(shí)間以及多個(gè)感興趣點(diǎn)之間的切換速度的要求，但是受到 AOD衍射效率的限制，運(yùn)用到顯微成像時(shí)的光軸方向掃描范圍只有50 μ m。日本NTT公司使用KTN晶體發(fā)明了一種新型的基于二次電光效應(yīng)的可變焦透鏡， 它的響應(yīng)時(shí)間是ls，可使光束在光軸方向快速隨機(jī)掃描，能夠滿足隨機(jī)掃描對(duì)感興趣點(diǎn)的 停留時(shí)間以及多個(gè)感興趣點(diǎn)之間的切換速度的要求，但是這種可變焦透鏡的最短焦距是 1. 6m，運(yùn)用到顯微成像時(shí)的光軸方向掃描范圍小于50 μ m。由上可知，現(xiàn)有光軸方向隨機(jī)掃描方法的掃描范圍小，不足可以運(yùn)用于神經(jīng)元和 神經(jīng)回路功能的研究，因此有必要提供一種掃描范圍大的軸向隨機(jī)掃描方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于KTN晶體的變焦透鏡的軸向隨機(jī)掃描方法，能擴(kuò)大 光軸方向的掃描范圍，以運(yùn)用于神經(jīng)元和神經(jīng)回路功能的研究。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于KTN晶體的變焦透鏡的軸向隨機(jī)掃描 方法，包括如下步驟提供一種長(zhǎng)方體KTN晶體，所述長(zhǎng)方體KTN晶體包含Ta和Nb，其中Ta 的重量百分比在所述長(zhǎng)方體KTN晶體1的兩個(gè)相對(duì)表面之間線性變化；在所述長(zhǎng)方體KTN 晶體的兩個(gè)相對(duì)表面各鍍上一電極層，在所述兩個(gè)相對(duì)表面的電極層上施加一電壓；將入 射波前垂直入射到所述長(zhǎng)方體KTN晶體的其他表面，所述長(zhǎng)方體KTN晶體對(duì)所述入射波前 進(jìn)行折射并聚焦，其中所述入射波前為平面波；改變施加在所述兩個(gè)相對(duì)表面的電極層上 的電壓，進(jìn)而改變所述長(zhǎng)方體KTN晶體對(duì)所述入射波前聚焦的焦距。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，Ta的重量百分比為60% 80%，Nb的重量百分比為 20% 40%。在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，所述電極層為Ti電極層。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明基于KTN晶體的變焦透鏡的軸向隨機(jī)掃描方法中，KTN晶體Ta的重量百分比大于Nb的重量百分比，因此施加電壓后，KTN晶體內(nèi)的電場(chǎng)為非均勻電 場(chǎng)，電光系數(shù)沿電場(chǎng)方向線性變化，因此折射率也發(fā)生變化，可以對(duì)準(zhǔn)直入射的入射波前聚 焦，焦距的大小(即掃描范圍)可以通過外加電壓的大小來(lái)調(diào)節(jié)，焦距的切換速度僅由外加 電壓的改變速度確定，據(jù)試驗(yàn)，本發(fā)明掃描范圍理論上可以達(dá)到500 μ m，焦距的切換速度在 10 μ s量級(jí)。本方法得到的掃描范圍比現(xiàn)有的光軸方向隨機(jī)掃描方法掃描范圍大，可以運(yùn)用 于神經(jīng)元和神經(jīng)回路功能的研究。通過以下的描述并結(jié)合附圖，本發(fā)明將變得更加清晰，這些附圖用于解釋本發(fā)明 的實(shí)施例。以實(shí)現(xiàn)大范圍掃描。


圖1為本發(fā)明基于非均勻KTN晶體的變焦透鏡的軸向隨機(jī)掃描方法中KTN晶體的 示意圖。圖2為本發(fā)明基于KTN晶體的變焦透鏡的軸向隨機(jī)掃描方法的原理示意圖。圖3為本發(fā)明基于KTN晶體的變焦透鏡的軸向隨機(jī)掃描方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在參考附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例，附圖中類似的元件標(biāo)號(hào)代表類似的元件。本發(fā)明基于KTN晶體的變焦透鏡的軸向隨機(jī)掃描方法，結(jié)合圖1和圖2、圖3，所述 方法包括如下步驟步驟Si，提供一種長(zhǎng)方體KTN晶體1，所述長(zhǎng)方體KTN晶體1包含Ta(鉭)和 Nb (鈮)，其中Ta(鉭)的重量百分比在所述長(zhǎng)方體KTN晶體1的兩個(gè)相對(duì)表面21、22之間 線性變化。也就是說(shuō)，Ta和Nb的重量百分比在空間是非均勻分布的，在長(zhǎng)方體KTN晶體1 的兩個(gè)相對(duì)表面21、22之間，由于長(zhǎng)方體KTN晶體1僅包含Ta(鉭)和Nb (鈮)，此時(shí)如果 Ta(鉭)的重量百分比線性遞增，則Nb(鈮)的重量百分比會(huì)線性遞減，反之亦然。在本實(shí) 施例中，Ta(鉭)的重量百分比為60% 80%，Nb (鈮)的重量百分比為20% 40%。步驟S2，在所述長(zhǎng)方體KTN晶體1的兩個(gè)相對(duì)表面21、22各鍍上一電極層61、62， 在電極層61、62上施加一電壓；在步驟S2中，對(duì)長(zhǎng)方體KTN晶體1的兩個(gè)相對(duì)表面21、22上的電極層61、62施加 電壓后，長(zhǎng)方體KTN晶體1產(chǎn)生非均勻電場(chǎng)，圖1所示虛線箭頭表示電場(chǎng)的方向。假設(shè)長(zhǎng)方體KTN晶體1的兩個(gè)相對(duì)表面21、22之間的距離為d，施加在電極層61、 62上的電壓為V，則KTN晶體1內(nèi)部產(chǎn)生的非均勻電場(chǎng)E(X)為Ε(χ) = —β (1)
V ‘ IdHd其中，χ為待測(cè)電場(chǎng)位置到長(zhǎng)方體KTN晶體1中低電動(dòng)勢(shì)表面的距離，本實(shí)施例假 設(shè)施加電壓后，電極層62的電動(dòng)勢(shì)低于電極層61的電動(dòng)勢(shì)，則χ為待測(cè)電場(chǎng)位置(如圖1 中的圓黑點(diǎn))與表面22之間的距離。由于長(zhǎng)方體KTN晶體1包含步驟Sl所述的組分，因此KTN晶體1的電光系數(shù)沿電 場(chǎng)方向線性變化。長(zhǎng)方體KTN晶體1的電光系數(shù)S11(X)為S11 (χ) = Cx(2)
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其中，C為常數(shù)，χ與式⑴相同。在非均勻電場(chǎng)的作用下，由于二次電光效應(yīng)，長(zhǎng)方體KTN晶體1的折射率發(fā)生變 化，折射率的變化量為
權(quán)利要求
一種基于KTN晶體的變焦透鏡的軸向隨機(jī)掃描方法，包括如下步驟提供一種長(zhǎng)方體KTN晶體，所述長(zhǎng)方體KTN晶體包含Ta和Nb，其中Ta的重量百分比在所述長(zhǎng)方體KTN晶體1的兩個(gè)相對(duì)表面之間線性變化；在所述兩個(gè)相對(duì)表面各鍍上一電極層，在所述兩個(gè)相對(duì)表面的電極層上施加一電壓；將入射波前垂直入射到所述長(zhǎng)方體KTN晶體的其他表面，所述長(zhǎng)方體KTN晶體對(duì)所述入射波前進(jìn)行折射并聚焦，其中所述入射波前為平面波；改變施加在所述兩個(gè)相對(duì)表面的電極層上的電壓，進(jìn)而改變所述長(zhǎng)方體KTN晶體對(duì)所述入射波前聚焦的焦距。
2.如權(quán)利要求1所述的基于KTN晶體的變焦透鏡的軸向隨機(jī)掃描方法，其特征在于， Ta的重量百分比為60% 80%，Nb的重量百分比為20% 40%。
3.如權(quán)利要求1所述的基于KTN晶體的變焦透鏡的軸向隨機(jī)掃描方法，其特征在于，所 述電極層為Ti電極層。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于KTN晶體的變焦透鏡的軸向隨機(jī)掃描方法，包括如下步驟提供一種長(zhǎng)方體KTN晶體，所述長(zhǎng)方體KTN晶體包含Ta和Nb，其中Ta的重量百分比在所述長(zhǎng)方體KTN晶體1的兩個(gè)相對(duì)表面之間線性變化；在所述兩個(gè)相對(duì)表面各鍍上一電極層，在所述兩個(gè)相對(duì)表面的電極層上施加一電壓；將入射波前垂直入射到所述長(zhǎng)方體KTN晶體的其他表面，所述長(zhǎng)方體KTN晶體對(duì)所述入射波前進(jìn)行折射并聚焦，其中所述入射波前為平面波；改變施加在所述兩個(gè)相對(duì)表面的電極層上的電壓，進(jìn)而改變所述長(zhǎng)方體KTN晶體對(duì)所述入射波前聚焦的焦距。本方法掃描范圍理論上可以達(dá)到500μm，可運(yùn)用于神經(jīng)元和神經(jīng)回路功能的研究。
文檔編號(hào)G02F1/03GK101963699SQ20101027547
公開日2011年2月2日 申請(qǐng)日期2010年9月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月8日
發(fā)明者曾紹群, 杜睿, 駱清銘 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)