一種三維空心光斑生成方法和裝置的製作方法

2023-05-22 11:11:31

專利名稱：一種三維空心光斑生成方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於超分辨顯微領域，特別涉及一種三維空心光斑生成方法和裝置。
背景技術：
在受激發射損耗顯微鏡(STED=Stimulated Emission Depletion Microscopy)等超分辨顯微設備當中，為了實現三維超分辨顯微，需要生成一個三維空心光斑。對於空心光斑，定義其尺寸為其光強分布曲線上相鄰峰峰值之間的距離。由於所生成的三維空心光斑的尺寸將決定超分辨系統的解析度，因此如何生成一個小尺寸三維空心光斑成為了提高超分辨系統解析度的關鍵。隨著科學技術的發展，科研工作者們提出了多種生成三維空心光斑的方法。但是由於受到光學衍射極限的限制，運用這些方法所生成的三維空心光斑的軸向尺寸將遠大於其橫向尺寸，從而導致了顯微系統所能實現的軸向解析度遠差於橫向解析度。S. W. Hell將 0 2 π渦旋位相板和0/ π位相板組合使用來生成三維空心光斑。在這種方法中，0 2 π 渦旋位相板用於形成橫向上的空心光斑，而0/π位相板則用於形成軸向上的空心光斑。當選用數值孔徑為1. 4的顯微物鏡時，採用這種方法所形成的三維空心光斑的橫向尺寸約為 0.64個波長，而軸向尺寸則為1.5個波長。還有研究者曾提出了將切向偏振光和徑向偏振光相組合的方法來生成三維空心光斑。其中，切向偏振光用於生成橫向空心光斑，徑向偏振光用於實現軸向空心光斑。利用這種方法所生成的三維空心光斑的軸向尺寸仍然偏大，此外在受激發射損耗顯微鏡(STED stimulated Emission Depletion Microscopy)中運用時，這種光斑的消光能力受到了偏振方向的限制，導致可實現的解析度不高。

發明內容
本發明提供了一種三維空心光斑生成方法和裝置，所生成的三維空心光斑橫向尺寸可為0. 56個波長，軸向尺寸可為0. 44個波長。本發明方法和裝置可以較好地運用於受激發射損耗顯微鏡(STED stimulated Emission Depletion Microscopy)等超分辨顯微設備當中，用以實現三維超分辨顯微。一種三維空心光斑生成方法，包括以下步驟(1)雷射光束準直後經第一偏振分光稜鏡分解為第一垂直線偏振光和第一平行線偏振光；所述第一垂直線偏振光的光路和第一平行線偏振光的光路互相垂直；(2)將所述第一垂直線偏振光進行第一光線折轉後，入射到第一相位調製器進行第一相位調製，得到第一調製光束；所述第一調製光束經第二光線折轉後，垂直入射到第二偏振分光稜鏡並被全部反射，得到第一工作光束；將所述第一平行線偏振光進行第三光線折轉後，入射到第二相位調製器上進行第二相位調製，得到第二調製光束；所述第二調製光束垂直入射到第二偏振分光稜鏡並被全部透射，得到第二工作光束；所述第二工作光束的光路和所述第一工作光束的光路重合；(3)將所述第一工作光束通過1/4波片轉換成第一圓偏振光，其旋轉方向為右旋；所述第一圓偏振光通過顯微物鏡之後，作為第一投射光束投射到樣品面上，所述第一投射光束透過所述樣品面後，入射到位於所述顯微物鏡的焦平面處的介質膜反射鏡並被反射， 得到第一反射光束，所述第一反射光束與所述第一投射光束在所述介質膜反射鏡的反射面上的相位差為η的偶數倍；所述第一反射光束投射到所述樣品面上，與所述第一投射光束進行幹涉，形成軸向空心光斑；將所述第二工作光束通過1/4波片轉換成第二圓偏振光，其旋轉方向為左旋；所述第二圓偏振光通過所述顯微物鏡之後，作為第二投射光束投射到所述樣品面上，所述第二投射光束透過所述樣品面後，入射到所述介質膜反射鏡並被反射，得到第二反射光束，所述第二反射光束與所述第二投射光束在所述介質膜反射鏡的反射面上的相位差為η的偶數倍；所述第二反射光束投射到所述樣品面上，與所述第二投射光束進行幹涉，形成橫向空心光斑；(4)所述軸向空心光斑和所述橫向空心光斑在所述樣品面處光強疊加，形成三維空心光斑；其中，所述第一相位調製器進行第一相位調製所採取的第一相位調製函數/(A妁為J人P,Ψ) = ^Sign[sm(z0k0 cos^)]，所述第二相位調製器進行第二相位調製所採取的第二
相位調製函數y2(A肖為/2(仏妁=|細11間11(2人0)3內]+識，其中，ρ為光束上某點與光
軸的距離4為光束垂直光軸剖面內位置極坐標矢量與χ軸的夾角，Z0為所述介質膜反射鏡與所述樣品面之間的距離，1 為雷射光束的波數，θ為入射光束的孔徑角，sign為符號函數。本發明中，所述準直可通過單模光纖和準直透鏡實現，所述第一光線折轉、第二光線折轉和第三光線折轉均可以通過光線折轉組件實現，所述光線折轉組件可以為一個反射鏡，也可以為一個以上的反射鏡構成的反射鏡組。為了實現最佳的效果，在進行第一相位調製和第二相位調製前後，可以採用光線折轉組件進行光線折轉調節，也可以光線直接入射和出射，根據具體需要來確定。在進行相位調製時，通常以光束小於45°入射為佳；而進入第二偏振分光稜鏡的垂直或平行線偏振光，則以垂直入射為佳，可使得光線被全部反射或透射，避免能量的損失。當然，同時也要考慮到儘量簡化光路結構。本發明還提供了一種三維空心光斑生成裝置，包括雷射器、單模光纖和準直透鏡、第一偏振分光稜鏡、第一光線折轉組件、第二光線折轉組件、第一相位調製器、第三光線折轉組件、第二相位調製器、第二偏振分光稜鏡、1/4波片、顯微物鏡、樣品面和介質膜反射鏡；其中，所述雷射器，用於發出雷射光束；所述單模光纖和準直透鏡，位於所述雷射光束的光軸上，用於對所述雷射光束進行準直得到準直光束；所述第一偏振分光稜鏡位於所述準直光束的光軸上，用於將所述準直光束偏振分光為第一垂直線偏振光和第一平行線偏振光；所述第一垂直線偏振光的光路和所述第一平行線偏振光的光路互相垂直；所述第一光線折轉組件，位於所述第一偏振分光稜鏡和所述第一相位調製器之間，用於對所述第一垂直線偏振光進行第一光線折轉，使得折轉後的光束能夠入射到所述第一相位調製器上；所述第一相位調製器，用於對經所述第一光線折轉組件光線折轉後的光束進行第一相位調製，得到第一調製光束；所述第二光線折轉組件，位於所述第一調製光束的光路上，用於對所述第一調製光束進行第二光線折轉，使得折轉後的光束垂直入射到所述第二偏振分光稜鏡；所述第三光線折轉組件，位於所述第一偏振分光稜鏡和所述第二相位調製器之間，用於對所述第一平行線偏振光進行第三光線折轉，使得折轉後的光束能夠入射到所述第二相位調製器上；所述第二相位調製器，用於對經所述第三光線折轉組件光線折轉後的光束進行第二相位調製，得到第二調製光束；所述第二調製光束垂直入射到所述第二偏振分光稜鏡；所述第二偏振分光稜鏡，用於使經所述第二折轉組件光路折轉後的光束完全反射，得到第一工作光束；同時還用於使所述第二調製光束完全透射，得到第二工作光束，且所述第二工作光束的光路和所述第一工作光束的光路重合；所述1/4波片、所述顯微物鏡、所述樣品面和所述介質膜反射鏡依次位於所述第二工作光束的光軸(也是第一工作光束的光軸)上；所述1/4波片垂直於ζ軸放置，且其快軸位於xy坐標面內的第二和第四象限，並與χ軸成45°夾角；所述1/4波片用於將所述第一工作光束轉換為第一圓偏振光，其旋轉方向為右旋；同時還用於將所述第二工作光束轉換為第二圓偏振光，其旋轉方向為左旋； 所設xyz坐標系中，所述ζ軸與所述第二工作光束的光軸平行；所述顯微物鏡，用於將所述第一圓偏振光投射到所述樣品面上，且入射到所述樣品面上的光束為第一投射光束；同時還用於將所述第二圓偏振光投射到所述樣品面上，且入射到所述樣品面上的光束為第二投射光束；所述樣品面，與所述介質膜反射鏡的間距為、，用於放置待測樣品；所述介質膜反射鏡，位於所述顯微物鏡的焦平面處，用於對透過所述樣品面的第一投射光束進行反射得到第一反射光束，同時還用於對透過所述樣品面的第二投射光束進行反射得到第二反射光束；所述介質膜反射鏡的反射特性使得所述第一反射光束與所述第一投射光束在所述介質膜反射鏡的反射面處的相位差為η的偶數倍，所述第二反射光束與所述第二投射光束在所述介質膜反射鏡的反射面處的相位差為η的偶數倍；其中，所述第一相位調製器進行第一相位調製所採取的第一相位調製函數/(A勿
為J人Ρ,Φ) = ^Sign[sm(z0k0 cos^)]，所述第二相位調製器進行第二相位調製所採取的第二相位調製函數/2(A勿為/2(p,為光
束垂直光軸剖面內位置極坐標矢量與X軸的夾角，Z0為所述介質膜反射鏡與所述樣品面之間的距離，1 為雷射光束的波數，θ為入射光束的孔徑角，sign為符號函數。優選的技術方案中，所述顯微物鏡的數值孔徑NA = 1. 4。優選的技術方案中，所述第一光線折轉組件為一個反射鏡或由一個以上的反射鏡組成的反射鏡組；所述第二光線折轉組件為一個反射鏡或由一個以上的反射鏡組成的反射鏡組；所述第三光線折轉組件為一個反射鏡或由一個以上的反射鏡組成的反射鏡組。本發明原理如下在常規顯微系統中，當工作光束通過顯微物鏡投射到樣品面上時，在樣品面上所成光斑的軸向尺寸將遠大於其橫向尺寸。這是因為在常規顯微系統中，工作光束僅僅被投射在樣品面的一側，這種照射方向的不對稱性導致了所成光斑尺寸的各向異性。而在本發明中，分別對第一垂直線偏振光和第一平行線偏振光進行第一相位調製和第二相位調製，得到第一調製光束和第二調製光束；第一調製光束和第二調製光束合束後得到工作光束，經同一 1/4波片分別轉換為第一圓偏振光和第二圓偏振光，第一圓偏振光和第二圓偏振光經顯微物鏡投射後，在顯微物鏡的焦點附近都存在兩個聚焦點位置，這兩個聚焦點均位於工作光束的光軸上，並且若以顯微物鏡的焦點為坐標原點，則這兩個聚焦點的軸向位置分別為~和-Z00由於在顯微物鏡的焦平面位置設置有一介質膜反射鏡， 並且將樣品面放置於處，則通過顯微物鏡後投射到樣品面的光束和透過樣品面後再由介質膜反射鏡反射的光束均聚焦於樣品面處並進行幹涉。由於對於所用雷射波長，介質膜反射鏡的反射光和入射光在反射面處的相位差為η的偶數倍，因此幹涉形成的光斑分別為橫向空心光斑和軸向空心光斑，兩者光強疊加形成三維空心光斑。由於光束分別從樣品面的兩側向樣品面投射，從而有效地壓縮在樣品面上所成光斑的軸向尺寸，提高顯微系統的解析度。通過改變第一相位調製器和第二相位調製器的調製函數中、的值，可以調整光束所成兩聚焦點的位置，從而實現軸向掃描。本發明的三維空心光斑生成裝置可以較好地應用於受激發射損耗顯微鏡等超分辨顯微設備中，以提高顯微系統的解析度。相對於現有技術，本發明具有以下有益的技術效果(1)大大壓縮了所生成的三維空心光斑的軸向尺寸；(2)進一步壓縮了所生成的三維空心光斑的橫向尺寸；(3)裝置簡單，使用方便；(4)能較好地應用於受激發射損耗顯微鏡等超分辨顯微設備中，以提高顯微系統的解析度。


圖1為本發明的三維空心光斑生成裝置的示意圖；圖2為本發明的三維空心光斑生成裝置應用於受激發射損耗顯微鏡時的示意圖；圖3為本發明中第一投射光束在顯微物鏡焦點附近光場分布歸一化曲線示意圖；圖4為本發明中第二投射光束在顯微物鏡焦點附近光場分布歸一化曲線示意圖；圖5為本發明所生成的三維空心光斑軸向的歸一化光強分布曲線圖；圖6為本發明所生成的三維空心光斑橫向的歸一化光強分布曲線圖；圖7為本發明所生成三維空心光斑與Hell法所生成三維空心光斑的軸向歸一化光強分布曲線比較示意圖；圖8為本發明所生成三維空心光斑與Hell法所生成三維空心光斑的橫向歸一化光強分布曲線比較示意圖。
具體實施例方式下面結合實施例和附圖來詳細說明本發明，但本發明並不僅限於此。如圖1所示，一種三維空心光斑生成裝置，包括第一雷射器1，第一單模光纖2，第一準直透鏡3，第一偏振分光稜鏡4，第一反射鏡5，第二反射鏡6，第三反射鏡7，第一相位調製器8，第二相位調製器9，第四反射鏡10，第二偏振分光稜鏡11，1/4波片12，顯微物鏡 13，樣品面14，介質膜反射鏡15。其中，第一單模光纖2和第一準直透鏡3位於第一雷射器1發出的光束的光軸上， 並對第一雷射器1發出的光束進行準直處理得到準直光束；第一偏振分光稜鏡4位於該準直光束的光軸上，將垂直入射的準直光束偏振分光為第一垂直線偏振光Rl和第一平行線偏振光R2，第一垂直線偏振光Rl的光路和第一平行線偏振光R2的光路互相垂直。第一反射鏡5和第二反射鏡6構成第一光線折轉組件，位於第一偏振分光稜鏡4 和第一相位調製器8之間，將入射的第一垂直線偏振光Rl進行第一光線折轉，使得折轉後的光束能夠入射到第一相位調製器8上；第一相位調製器8的第一相位調製函數設為 Μρ, φ)，且
權利要求
1.一種三維空心光斑生成方法，其特徵在於，包括以下步驟(1)雷射光束準直後經第一偏振分光稜鏡分解為第一垂直線偏振光和第一平行線偏振光；所述第一垂直線偏振光的光路和第一平行線偏振光的光路互相垂直；(2)將所述第一垂直線偏振光進行第一光線折轉後，入射到第一相位調製器進行第一相位調製，得到第一調製光束；所述第一調製光束經第二光線折轉後，垂直入射到第二偏振分光稜鏡並被全部反射，得到第一工作光束；將所述第一平行線偏振光進行第三光線折轉後，入射到第二相位調製器上進行第二相位調製，得到第二調製光束；所述第二調製光束垂直入射到第二偏振分光稜鏡並被全部透射，得到第二工作光束；所述第二工作光束的光路和所述第一工作光束的光路重合；(3)將所述第一工作光束通過1/4波片轉換成第一圓偏振光，其旋轉方向為右旋；所述第一圓偏振光通過顯微物鏡之後，作為第一投射光束投射到樣品面上，所述第一投射光束透過所述樣品面後，入射到位於所述顯微物鏡的焦平面處的介質膜反射鏡並被反射，得到第一反射光束，所述第一反射光束與所述第一投射光束在所述介質膜反射鏡的反射面上的相位差為η的偶數倍；所述第一反射光束投射到所述樣品面上，與所述第一投射光束進行幹涉，形成軸向空心光斑；將所述第二工作光束通過1/4波片轉換成第二圓偏振光，其旋轉方向為左旋；所述第二圓偏振光通過所述顯微物鏡之後，作為第二投射光束投射到所述樣品面上，所述第二投射光束透過所述樣品面後，入射到所述介質膜反射鏡並被反射，得到第二反射光束，所述第二反射光束與所述第二投射光束在所述介質膜反射鏡的反射面上的相位差為η的偶數倍；所述第二反射光束投射到所述樣品面上，與所述第二投射光束進行幹涉，形成橫向空心光斑；(4)所述軸向空心光斑和所述橫向空心光斑在所述樣品面處光強疊加，形成三維空心光斑；其中，所述第一相位調製器進行第一相位調製所採取的第一相位調製函數/(A妁為 f人Ρ,Ψ) = ^sign[sm(z0k0 cos^)]，所述第二相位調製器進行第二相位調製所採取的第二相位調製函數y2(A肖為/2(仏妁=|細!1間11(2。&0)3內]+識，其中，P為光束上某點與光軸的距離4為光束垂直光軸剖面內位置極坐標矢量與X軸的夾角，Z0為所述介質膜反射鏡與所述樣品面之間的距離，1 為雷射光束的波數，θ為入射光束的孔徑角，sign為符號函數。
2.用於實現如權利要求1所述的三維空心光斑生成方法的三維空心光斑生成裝置，其特徵在於，包括雷射器、單模光纖和準直透鏡、第一偏振分光稜鏡、第一光線折轉組件、第二光線折轉組件、第一相位調製器、第三光線折轉組件、第二相位調製器、第二偏振分光稜鏡、1/4波片、顯微物鏡、樣品面和介質膜反射鏡；其中，所述雷射器，用於發出雷射光束；所述單模光纖和準直透鏡，位於所述雷射光束的光軸上，用於對所述雷射光束進行準直得到準直光束；所述第一偏振分光稜鏡位於所述準直光束的光軸上，用於將所述準直光束偏振分光為第一垂直線偏振光和第一平行線偏振光；所述第一垂直線偏振光的光路和所述第一平行線偏振光的光路互相垂直；所述第一光線折轉組件，位於所述第一偏振分光稜鏡和所述第一相位調製器之間，用於對所述第一垂直線偏振光進行第一光線折轉，使得折轉後的光束能夠入射到所述第一相位調製器上；所述第一相位調製器，用於對經所述第一光線折轉組件光線折轉後的光束進行第一相位調製，得到第一調製光束；所述第二光線折轉組件，位於所述第一調製光束的光路上，用於對所述第一調製光束進行第二光線折轉，使得折轉後的光束垂直入射到所述第二偏振分光稜鏡；所述第三光線折轉組件，位於所述第一偏振分光稜鏡和所述第二相位調製器之間，用於對所述第一平行線偏振光進行第三光線折轉，使得折轉後的光束能夠入射到所述第二相位調製器上；所述第二相位調製器，用於對經所述第三光線折轉組件光線折轉後的光束進行第二相位調製，得到第二調製光束；所述第二調製光束垂直入射到所述第二偏振分光稜鏡；所述第二偏振分光稜鏡，用於使經所述第二光線折轉組件光路折轉後的光束完全反射，得到第一工作光束；同時還用於使所述第二調製光束完全透射，得到第二工作光束，且所述第二工作光束的光路和所述第一工作光束的光路重合；所述1/4波片、所述顯微物鏡、所述樣品面和所述介質膜反射鏡依次位於所述第二工作光束的光軸上；所述1/4波片垂直於ζ軸放置，且其快軸位於xy坐標面內的第二和第四象限，並與χ軸成45°夾角；所述1/4波片用於將所述第一工作光束轉換為第一圓偏振光，其旋轉方向為右旋；同時還用於將所述第二工作光束轉換為第二圓偏振光，其旋轉方向為左旋；所設xyz 坐標系中，所述ζ軸與所述第二工作光束的光軸平行；所述顯微物鏡，用於將所述第一圓偏振光投射到所述樣品面上，且入射到所述樣品面上的光束為第一投射光束；同時還用於將所述第二圓偏振光投射到所述樣品面上，且入射到所述樣品面上的光束為第二投射光束；所述樣品面，與所述介質膜反射鏡的間距為^，用於放置待測樣品； 所述介質膜反射鏡，位於所述顯微物鏡的焦平面處，用於對透過所述樣品面的第一投射光束進行反射得到第一反射光束，所述第一反射光束與所述第一投射光束在所述介質膜反射鏡的反射面處的相位差為η的偶數倍；同時還用於對透過所述樣品面的第二投射光束進行反射得到第二反射光束，且所述第二反射光束與所述第二投射光束在所述介質膜反射鏡的反射面處的相位差為η的偶數倍；其中，所述第一相位調製器進行第一相位調製所採取的第一相位調製函數/(A勿為=COS^)]，所述第二相位調製器進行第二相位調製所採取的第二相位調製函數為/2(仏妁=|細11間11(2。&0)3內]+識，其中，P為光束上某點與光軸的距離4為光束垂直光軸剖面內位置極坐標矢量與χ軸的夾角，Z0為所述介質膜反射鏡與所述樣品面之間的距離，1 為雷射光束的波數，θ為入射光束的孔徑角，sign為符號函數。
3.如權利要求2所述的三維空心光斑生成裝置，其特徵在於，所述顯微物鏡的數值孔徑 NA = 1. 4。
4.如權利要求2所述的三維空心光斑生成裝置，其特徵在於，其特徵在於，所述第一光線折轉組件為一個反射鏡或由一個以上的反射鏡組成的反射鏡組。
5.如權利要求2所述的三維空心光斑生成裝置，其特徵在於，其特徵在於，所述第二光線折轉組件為一個反射鏡或由一個以上的反射鏡組成的反射鏡組。
6.如權利要求2所述的三維空心光斑生成裝置，其特徵在於，其特徵在於，所述第三光線折轉組件為一個反射鏡或由一個以上的反射鏡組成的反射鏡組。
全文摘要
本發明公開了一種三維空心光斑生成方法和裝置。該裝置包括雷射器、單模光纖和準直透鏡、第一偏振分光稜鏡、若干光線折轉組件、兩相位調製器、第二偏振分光稜鏡、1/4波片、顯微物鏡、樣品面和介質膜反射鏡。該方法包括分別對垂直線偏振光和平行線偏振光進行不同的相位調製，將調製後兩光束合束後經同一1/4波片轉換為兩圓偏振光，再經顯微物鏡投射後透過樣品面並被介質膜反射鏡反射，入射到樣品面的反射光線和投射光線發生幹涉，分別形成橫向和軸向空心光斑，兩者光強疊加形成三維空心光斑，其橫向尺寸可為0.56個波長，軸向尺寸可為0.44個波長。本發明可應用於受激發射損耗顯微鏡等超分辨顯微設備中實現三維超分辨顯微。
文檔編號G02B21/18GK102540476SQ20121005225
公開日2012年7月4日 申請日期2012年3月1日 優先權日2012年3月1日
發明者劉旭, 匡翠方, 李帥, 郝翔 申請人:浙江大學