CN105242408A - 一种超分辨光学管道的生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超分辨光学管道的生成方法，激光器发出线偏振的激光束，沿光轴方向经准直扩束镜准直扩束后垂直照射到偏振转换器或涡旋相位板，转换为角向偏振光或涡旋光；设计二元光学器件，在玻璃基板上刻有五环0/π交替的环状凹槽，使所得角向偏振光或涡旋光垂直入射二元光学器件后，经环带为零的光束相位不变，经环带为π的光束相位延迟为π；经过二元光学器件调制后的角向偏振光束或涡旋光经高数值孔径的显微物镜后聚焦，调制后的光束在焦点处干涉相消，得到一个超分辨的光学管道。本发明基于二元光学器件的相位调节，在显微物镜的焦点处得到一个带有聚焦暗光斑的超分辨光学管道，作为STED显微镜的去激发光源，实现三维超分辨成像。

Description

一种超分辨光学管道的生成方法

技术领域

本发明涉及一种光学显微技术，特别涉及一种超分辨光学管道的生成方法。

背景技术

一直以来，阿贝衍射极限被认为是光学显微镜不可跨越的极限，这使得光学显微镜在观察微观细微结构等方面的应用十分受限。直到德国科学家史蒂芬.赫尔发明受激发射损耗(STED)显微镜，打破了这一极限，实现远场超分辨，对生物医学的研究具有里程碑的意义。STED显微镜的原理是激发光使基态的荧光粒子跃迁到激发态，随后用环形去激发光源照射样品，引起荧光物质的受激辐射，消耗了可以发射荧光的能级上的粒子数。受激辐射的作用是迫使粒子在它们被激发之后立刻回到基态，使焦斑上那些受到损耗的荧光分子失去发射荧光光子的能力，而剩下的可发射荧光区被限制在小于衍射极限区域内，于是获得了一个小于衍射极限的发光点。显然环形去激发光的尺寸以及其与激发光强度的匹配决定了有效焦斑的大小。

超分辨显微技术的发展已日渐成熟，在先技术中，针对于STED显微镜中去激发光源的生成方法及装置，参见专利名称：一种受激发射损耗显微镜中抑制光斑的生成方法及装置，专利号：CN201110071090。这种生成抑制光斑的方法有很多优点，但是，仍然存在一些本质不足：1)用切向偏振光在0/π相位板调制下的聚焦光斑并不能足够小，不能实现更小的分辨率；2)聚焦所用的显微物镜的数值孔径(NA)要求1～1.4，即产生的聚焦光斑存在于介质油中，为其使用带来不便；3)由于NA过高，导致得到的聚焦光斑轴向长度过短，对于实现三维成像有很大的限制。

发明内容

本发明是针对现在超分辨显微技术存在的问题，提出了一种超分辨光学管道的生成方法，基于二元光学器件的相位调节，在显微物镜的焦点处得到一个带有聚焦暗光斑的超分辨光学管道，作为STED显微镜的去激发光源，实现三维超分辨成像。

本发明的技术方案为：一种超分辨光学管道的生成方法，具体包括如下步骤：

1)激光器发出线偏振的激光束，沿光轴Z方向经准直扩束镜准直扩束后垂直照射到偏振转换器或涡旋相位板，转换为角向偏振光或涡旋光；

2)设计二元光学器件，在玻璃基板上刻有五环0/π交替的环状凹槽，使步骤1)所得角向偏振光或涡旋光垂直入射二元光学器件后，经环带为零的光束相位不变，经环带为π的光束相位延迟为π；

3)经过二元光学器件调制后的角向偏振光束或涡旋光经高数值孔径的显微物镜后聚焦，调制后的光束在焦点处干涉相消，得到一个超分辨的光学管道。

所述入射线偏振激光束，其波长为380～780nm范围内的可见光。

所述偏振转换器为四片胶合在一起的半波片，四片胶合后每个慢轴在偏振转换器等分的四分之一区域内，并且一片慢轴平行与光轴，以此平行慢轴为准，其他慢轴以光轴为中心，顺序按顺时针转45度。

所述涡旋相位板为0～2π内相位均匀变化的圆盘。

所述显微物镜的高数值孔径0.9≤NA≤0.95。

本发明的有益效果在于：本发明超分辨光学管道的生成方法，在先前技术中，得到的光斑在尺寸虽已达到亚波长级别，但不能实现更高的横向分辨率；本发明在特制的二元光学器件的调制下，使得焦点处的光场干涉相消，形成亚波长级别的暗斑，环状光圈的强度最值并没有减弱，可以很好的和激发光源进行强度匹配；在先前技术中，***中所用到的显微物镜为NA为1.4，即物镜的像空间不可能是自由空间，而是介质油空间，这样使得得到的去激发光束使用受限；本发明的显微物镜要求NA为0.95，像空间可以是自由空间，得到的去激发光束能自由地引起荧光物质的受激辐射；在先前技术中，由于NA为1.4，得到的聚焦光束的焦深不长，这对三维扫描来说非常不便；本发明经二元器件相位调制并在NA为0.95的显微物镜聚焦下，得到的焦深长度变长，即得到更长的光学管道，实现对生物组织的三维扫描。

附图说明

图1为本发明超分辨光学管道的生成装置结构示意图；

图2为本发明超分辨光学管道的生成装置中偏振转换器件的示意图；

图3为本发明超分辨光学管道的生成装置中二元光学器件的示意图；

图4为本发明得到的聚焦光斑的光强分布图。

具体实施方式

如图1为产生超分辨光学管道的装置的示意图，光轴方向沿Z轴方向，激光器1发出偏振为线偏振的激光束，偏振方向沿X轴方向，经准直扩束镜2准直扩束后垂直照射在偏振转换器3上，偏振转换器3为四片胶合在一起的半波片，其慢轴方向如图2中短黑线所示，四片胶合后每个慢轴在偏振转换器3等分的四分之一区域内，并且一片慢轴平行与光轴，以此平行慢轴为准，其他慢轴以光轴为中心，顺序按顺时针转45度。经偏振转换器3偏振转调制后，光场的偏振方向变成角向，这样的角向偏振光束经二元光学器件4后相位得到调制，经过二元光学器件4(如图3)中的π相位区域即图3中的白色区域则这部分光相位延迟π，经过图3中的黑色区域即相位为0的区域的这部分光相位不变，二元光学器件4的位置位于显微物镜5的光阑处，调制后的角向偏振光束经高数值孔径的显微物镜5后聚焦在焦点附近，由于调制后的角向偏振光束在焦点处干涉相消，于是得到一个超分辨的光学管道。显微物镜5的高数值孔径0.9≤NA≤0.95。

所述入射光束为线偏振激光束，为波长在380～780nm范围内的可见光。

二元光学器件4，是玻璃基板上刻有五环0/π交替的环状凹槽，经环带为零的光束相位不变，经环带为π的光束相位延迟为π，每个环带的宽度是经优化算法优化得到的，即事先用简单的理想的光强分布模型做为基准，即光强分布只沿角向方向，用Matlab中的相关算法和指令，使得模拟的光强分布尽量接近理想模型。

图1中的偏振转换器3若换为涡旋相位板，那么经涡旋相位板后入射光束变为一束涡旋光，涡旋相位板为0～2π内相位均匀变化的圆盘，涡旋光经二元光学器件4进行相位调制后，同理经过图3中的白色区域即相位为π的区域的这部分涡旋光光相位延迟为π，经图3中的黑色区域即相位为0的区域的这部分涡旋光相位不变，这样调制后的涡旋光经显微物镜5聚焦后焦点附近的光场分布也是理想的STED显微镜的去激发光束。

以角向偏振光束经二元器件调制并聚焦来说明焦点处的光场分布特点:

$l\left(\mathrm{\θ}\right)=\exp \[{\mathrm{\β}}^2{\left(\frac{\sin \mathrm{\θ}}{\sin \mathrm{\α}}\right)}^2\]J_1\left(2\mathrm{\β}\frac{\sin \mathrm{\θ}}{sin\mathrm{\α}}\right)---\left(2\right)$

$T\left(\mathrm{\&theta;}\right)=\left\{\begin{array}{cccc}1,& 0\&le;\mathrm{\&theta;}<{\mathrm{\&theta;}}_1,& {\mathrm{\&theta;}}_2\&le;\mathrm{\&theta;}<{\mathrm{\&theta;}}_3,& {\mathrm{\&theta;}}_4\&le;\mathrm{\&theta;}<\mathrm{\&alpha;}\\ -1,& & {\mathrm{\&theta;}}_1\&le;\mathrm{\&theta;}\&le;{\mathrm{\&theta;}}_2,& {\mathrm{\&theta;}}_3\&le;\mathrm{\&theta;}\&le;{\mathrm{\&theta;}}_4\end{array}\right.---\left(3\right)$

式1中J₁是第一阶贝塞尔函数，r,z分别是柱坐标系下的径向坐标，角度坐标和轴向坐标，柱坐标系以显微物镜5理想焦点为坐标原点的直角坐标系对应的柱坐标系，T是透过率函数，A是振幅常数，l是贝塞尔光束的振幅函数，i是复数符号，k＝2π/λ是波数，λ是选用的激光的波长；

式2为入射光的振幅分布，式3为二元光学器件的振幅透过率函数，α＝arcsin(NA)高数值孔径NA＝0.95。θ为显微物镜5上的点到显微物镜5理想焦点的连线与光轴的夹角，θ_1～4分别是二元光学器件4上半径R_1～4对应的夹角值，β为显微物镜5的光瞳与贝塞尔激光束的束腰半径的比值，我们取1。

从式1我们知道，焦点附近的电场只沿角向分布。我们通过仿真得到沿X轴(Z轴是光轴方向，X轴是偏振方向，我们这里仿真的是X方向的分布，来看光斑的直径大小)的光强分布，如图4，横轴表示以焦点为坐标原点，X轴上距离焦点的位置，纵轴表示相对强度，我们得到半峰值全宽度为0.32λ，当选择的与激发光源的匹配强度小于相对强度的一半时，我们得到的宽度会更小，实现更高的超分辨。经实验可得，经二元光学器件调制后的角向偏振光束聚焦后得到的光学管道的相应参数为：半峰值全宽度为0.32λ，焦深为4λ。可见，本发明产生的光学管道是理想的STED显微镜的去激发光源。

Claims (5)

1.一种超分辨光学管道的生成方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

1）激光器发出线偏振的激光束，沿光轴Z方向经准直扩束镜准直扩束后垂直照射到偏振转换器或涡旋相位板，转换为角向偏振光或涡旋光；

2）设计二元光学器件，在玻璃基板上刻有五环0/π交替的环状凹槽，使步骤1）所得角向偏振光或涡旋光垂直入射二元光学器件后，经环带为零的光束相位不变，经环带为π的光束相位延迟为π；

3）经过二元光学器件调制后的角向偏振光束或涡旋光经高数值孔径的显微物镜后聚焦，调制后的光束在焦点处干涉相消，得到一个超分辨的光学管道。

2.根据权利要求1所述超分辨光学管道的生成方法，其特征在于，所述入射线偏振激光束，其波长为380～780nm范围内的可见光。

3.根据权利要求2所述超分辨光学管道的生成方法，其特征在于，所述偏振转换器为四片胶合在一起的半波片，四片胶合后每个慢轴在偏振转换器等分的四分之一区域内，并且一片慢轴平行与光轴，以此平行慢轴为准，其他慢轴以光轴为中心，顺序按顺时针转45度。

4.根据权利要求2所述超分辨光学管道的生成方法，其特征在于，所述涡旋相位板为0～2π内相位均匀变化的圆盘。

5.根据权利要求2至4中任意一所述超分辨光学管道的生成方法，其特征在于，所述显微物镜的高数值孔径0.9≤NA≤0.95。