一種超分辨光學管道的生成方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種光學顯微技術，特別涉及一種超分辨光學管道的生成方法。
【背景技術】
[0002] -直以來，阿貝衍射極限被認為是光學顯微鏡不可跨越的極限，這使得光學顯微 鏡在觀察微觀細微結構等方面的應用十分受限。直到德國科學家史蒂芬.赫爾發明受激發 射損耗（STED)顯微鏡，打破了這一極限，實現遠場超分辨，對生物醫學的研究具有里程碑 的意義。STED顯微鏡的原理是激發光使基態的熒光粒子躍迀到激發態，隨后用環形去激發 光源照射樣品，引起熒光物質的受激輻射，消耗了可以發射熒光的能級上的粒子數。受激輻 射的作用是迫使粒子在它們被激發之后立刻回到基態，使焦斑上那些受到損耗的熒光分子 失去發射熒光光子的能力，而剩下的可發射熒光區被限制在小于衍射極限區域內，于是獲 得了一個小于衍射極限的發光點。顯然環形去激發光的尺寸以及其與激發光強度的匹配決 定了有效焦斑的大小。
[0003] 超分辨顯微技術的發展已日漸成熟，在先技術中，針對于STED顯微鏡中去激發光 源的生成方法及裝置，參見專利名稱：一種受激發射損耗顯微鏡中抑制光斑的生成方法及 裝置，專利號：CN201110071090。這種生成抑制光斑的方法有很多優點，但是，仍然存在一 些本質不足：1)用切向偏振光在0/JT相位板調制下的聚焦光斑并不能足夠小，不能實現更 小的分辨率；2)聚焦所用的顯微物鏡的數值孔徑（NA)要求1~1. 4,即產生的聚焦光斑存 在于介質油中，為其使用帶來不便；3)由于NA過高，導致得到的聚焦光斑軸向長度過短，對 于實現三維成像有很大的限制。
【發明內容】
[0004] 本發明是針對現在超分辨顯微技術存在的問題，提出了一種超分辨光學管道的生 成方法，基于二元光學器件的相位調節，在顯微物鏡的焦點處得到一個帶有聚焦暗光斑的 超分辨光學管道，作為STED顯微鏡的去激發光源，實現三維超分辨成像。
[0005]本發明的技術方案為：一種超分辨光學管道的生成方法，具體包括如下步驟：
[0006] 1)激光器發出線偏振的激光束，沿光軸Z方向經準直擴束鏡準直擴束后垂直照射 到偏振轉換器或渦旋相位板，轉換為角向偏振光或渦旋光；
[0007] 2)設計二元光學器件，在玻璃基板上刻有五環0/31交替的環狀凹槽，使步驟1)所 得角向偏振光或渦旋光垂直入射二元光學器件后，經環帶為零的光束相位不變，經環帶為 π的光束相位延遲為：π;
[0008] 3)經過二元光學器件調制后的角向偏振光束或渦旋光經高數值孔徑的顯微物鏡 后聚焦，調制后的光束在焦點處干涉相消，得到一個超分辨的光學管道。
[0009] 所述入射線偏振激光束，其波長為380~780nm范圍內的可見光。
[0010] 所述偏振轉換器為四片膠合在一起的半波片，四片膠合后每個慢軸在偏振轉換器 等分的四分之一區域內，并且一片慢軸平行與光軸，以此平行慢軸為準，其他慢軸以光軸為 中心，順序按順時針轉45度。
[0011] 所述渦旋相位板為〇~2 31內相位均勻變化的圓盤。
[0012] 所述顯微物鏡的高數值孔徑0· 9彡NA彡0· 95。
[0013] 本發明的有益效果在于：本發明超分辨光學管道的生成方法，在先前技術中，得到 的光斑在尺寸雖已達到亞波長級別，但不能實現更高的橫向分辨率；本發明在特制的二元 光學器件的調制下，使得焦點處的光場干涉相消，形成亞波長級別的暗斑，環狀光圈的強度 最值并沒有減弱，可以很好的和激發光源進行強度匹配；在先前技術中，系統中所用到的顯 微物鏡為NA為1. 4,即物鏡的像空間不可能是自由空間，而是介質油空間，這樣使得得到的 去激發光束使用受限；本發明的顯微物鏡要求NA為0.95,像空間可以是自由空間，得到的 去激發光束能自由地引起熒光物質的受激輻射；在先前技術中，由于NA為1. 4,得到的聚焦 光束的焦深不長，這對三維掃描來說非常不便；本發明經二元器件相位調制并在NA為0. 95 的顯微物鏡聚焦下，得到的焦深長度變長，即得到更長的光學管道，實現對生物組織的三維 掃描。
【附圖說明】
[0014]圖1為本發明超分辨光學管道的生成裝置結構示意圖；
[0015]圖2為本發明超分辨光學管道的生成裝置中偏振轉換器件的示意圖；
[0016] 圖3為本發明超分辨光學管道的生成裝置中二元光學器件的示意圖；
[0017] 圖4為本發明得到的聚焦光斑的光強分布圖。
【具體實施方式】
[0018] 如圖1為產生超分辨光學管道的裝置的示意圖，光軸方向沿Z軸方向，激光器1發 出偏振為線偏振的激光束，偏振方向沿X軸方向，經準直擴束鏡2準直擴束后垂直照射在偏 振轉換器3上，偏振轉換器3為四片膠合在一起的半波片，其慢軸方向如圖2中短黑線所 示，四片膠合后每個慢軸在偏振轉換器3等分的四分之一區域內，并且一片慢軸平行與光 軸，以此平行慢軸為準，其他慢軸以光軸為中心，順序按順時針轉45度。經偏振轉換器3偏 振轉調制后，光場的偏振方向變成角向，這樣的角向偏振光束經二元光學器件4后相位得 到調制，經過二元光學器件4(如圖3)中的π相位區域即圖3中的白色區域則這部分光相 位延遲Jr，經過圖3中的黑色區域即相位為0的區域的這部分光相位不變，二元光學器件4 的位置位于顯微物鏡5的光闌處，調制后的角向偏振光束經高數值孔徑的顯微物鏡5后聚 焦在焦點附近，由于調制后的角向偏振光束在焦點處干涉相消，于是得到一個超分辨的光 學管道。顯微物鏡5的高數值孔徑0. 9彡NA彡0. 95。
[0019] 所述入射光束為線偏振激光束，為波長在380~780nm范圍內的可見光。
[0020] 二元光學器件4,是玻璃基板上刻有五環0/π交替的環狀凹槽，經環帶為零的光 束相位不變，經環帶為31的光束相位延遲為31，每個環帶的寬度是經優化算法優化得到 的，即事先用簡單的理想的光強分布模型做為基準，即光強分布只沿角向方向，用Matlab 中的相關算法和指令，使得模擬的光強分布盡量接近理想模型。
[0021] 圖1中的偏振轉換器3若換為渦旋相位板，那么經渦旋相位板后入射光束變為一 束渦旋光，渦旋相位板為〇~2π內相位均勻變化的圓盤，渦旋光經二元光學器件4進行相 位調制后，同理經過圖3中的白色區域即相位為31的區域的這部分渦旋光光相位延遲為 31，經圖3中的黑色區域即相位為0的區域的這部分渦旋光相位不變，這樣調制后的渦旋光 經顯微物鏡5聚焦后焦點附近的光場分布也是理想的STED顯微鏡的去激發光束。
[0022] 以角向偏振光束經二元器件調制并聚焦來說明焦點處的光場分布特點：
[0026] 式1中1是第一階貝塞爾函數，r，％z分別是柱坐標系下的徑向坐標，角度坐標 和軸向坐標，柱坐標系以顯微物鏡5理想焦點為坐標原點的直角坐標系對應的柱坐標系，T 是透過率函數，A是振幅常數，1是貝塞爾光束的振幅函數，i是復數符號，k= 2π/λ是波 數，λ是選用的激光的波長；
[0027] 式2為入射光的振幅分布，式3為二元光學器件的振幅透過率函數，α= arcsin(ΝΑ)高數值孔徑ΝΑ= 0. 95。Θ為顯微物鏡5上的點到顯微物鏡5理想焦點的連 線與光軸的夾角，θρ4分別是二元光學器件4上半徑1^~4對應的夾角值，β為顯微物鏡 5的光瞳與貝塞爾激光束的束腰半徑的比值，我們取1。
[0028] 從式1我們知道，焦點附近的電場只沿角向分布。我們通過仿真得到沿X軸（Ζ 軸是光軸方向，X軸是偏振方向，我們這里仿真的是X方向的分布，來看光斑的直徑大小） 的光強分布，如圖4,橫軸表示以焦點為坐標原點，X軸上距離焦點的位置，縱軸表示相對強 度，我們得到半峰值全寬度為〇. 32λ，當選擇的與激發光源的匹配強度小于相對強度的一 半時，我們得到的寬度會更小，實現更高的超分辨。經實驗可得，經二元光學器件調制后的 角向偏振光束聚焦后得到的光學管道的相應參數為：半峰值全寬度為〇. 32λ，焦深為4λ。 可見，本發明產生的光學管道是理想的STED顯微鏡的去激發光源。
【主權項】
1. 一種超分辨光學管道的生成方法，其特征在于，具體包括如下步驟： 1) 激光器發出線偏振的激光束，沿光軸Z方向經準直擴束鏡準直擴束后垂直照射到偏 振轉換器或渦旋相位板，轉換為角向偏振光或渦旋光； 2) 設計二元光學器件，在玻璃基板上刻有五環0/31交替的環狀凹槽，使步驟1)所得角 向偏振光或渦旋光垂直入射二元光學器件后，經環帶為零的光束相位不變，經環帶為的 光束相位延遲為31 ; 3) 經過二元光學器件調制后的角向偏振光束或渦旋光經高數值孔徑的顯微物鏡后聚 焦，調制后的光束在焦點處干涉相消，得到一個超分辨的光學管道。2. 根據權利要求1所述超分辨光學管道的生成方法，其特征在于，所述入射線偏振激 光束，其波長為380~780nm范圍內的可見光。3. 根據權利要求2所述超分辨光學管道的生成方法，其特征在于，所述偏振轉換器為 四片膠合在一起的半波片，四片膠合后每個慢軸在偏振轉換器等分的四分之一區域內，并 且一片慢軸平行與光軸，以此平行慢軸為準，其他慢軸以光軸為中心，順序按順時針轉45 度。4. 根據權利要求2所述超分辨光學管道的生成方法，其特征在于，所述渦旋相位板為 0~2JI內相位均勻變化的圓盤。5. 根據權利要求2至4中任意一所述超分辨光學管道的生成方法，其特征在于，所述顯 微物鏡的高數值孔徑〇. 9 < NA < 0. 95。
【專利摘要】本發明涉及一種超分辨光學管道的生成方法，激光器發出線偏振的激光束，沿光軸方向經準直擴束鏡準直擴束后垂直照射到偏振轉換器或渦旋相位板，轉換為角向偏振光或渦旋光；設計二元光學器件，在玻璃基板上刻有五環0/π交替的環狀凹槽，使所得角向偏振光或渦旋光垂直入射二元光學器件后，經環帶為零的光束相位不變，經環帶為π的光束相位延遲為π；經過二元光學器件調制后的角向偏振光束或渦旋光經高數值孔徑的顯微物鏡后聚焦，調制后的光束在焦點處干涉相消，得到一個超分辨的光學管道。本發明基于二元光學器件的相位調節，在顯微物鏡的焦點處得到一個帶有聚焦暗光斑的超分辨光學管道，作為STED顯微鏡的去激發光源，實現三維超分辨成像。
【IPC分類】G02B27/58, G02B27/48
【公開號】CN105242408
【申請號】CN201510780863
【發明人】王海鳳, 姜利平, 朱厚飛, 劉玲玲
【申請人】上海理工大學
【公開日】2016年1月13日
【申請日】2015年11月13日