CN110531523A

CN110531523A - 指数型非线性微轴锥镜阵列

Info

Publication number: CN110531523A
Application number: CN201910821826.7A
Authority: CN
Inventors: 匡登峰; 黄曾鑫
Original assignee: Nankai University
Current assignee: Nankai University
Priority date: 2019-09-02
Filing date: 2019-09-02
Publication date: 2019-12-03
Anticipated expiration: 2039-09-02
Also published as: CN110531523B

Abstract

产生类贝塞尔光束晶格阵列的指数型非线性微轴锥镜阵列器件，该器件是由一个高度变化率为指数型的介质微轴锥镜阵列化构成，当入射光垂直入射并通过指数型非线性微轴锥镜阵列器件底面之后，在器件前端附近形成具有较长工作距离，稳定强度分布的类贝塞尔光场，阵列化后可以形成类贝塞尔晶格光片阵列。具体表现为：非线性微轴锥镜阵列产生的类贝塞尔光束在器件出射平面附近时拥有比贝塞尔光束更稳定的强度变化和更大的工作区域。将生物细胞附着于器件表面进行发育和繁殖，可利用该器件激发样品整体的荧光信息，即可捕获到活体生物的动态发育过程。非线性微轴锥镜阵列贝塞尔光束在显微光片照明、生物荧光成像方面有很大的潜力。

Description

指数型非线性微轴锥镜阵列

技术领域

本发明属于光学和光电技术领域，涉及微光学器件制作、光场调控以及生物荧光成像等领域。其最大的特点是指数型非线性微轴锥镜阵列产生的工作范围更大、靠近出射平面的区间照明更加均匀的类贝塞尔光片晶格阵列，这种特殊的光束可以穿透生长在其表面的生物组织，从而对生物组织实现体照明。区别于传统的激光照明，该器件产生的光片晶格阵列可以在减小光毒性的同时激发生物体内的荧光信号，有利于研究生物体内细胞级别的动态过程。在超分辨成像、生物动力学研究、生物荧光成像等领域有重要的应用前景。

背景技术

贝塞尔光束由于其在自由空间的特定距离传播时没有衍射现象的特点，经过细小障碍物时可以自愈的特点，使其在超分辨显微成像领域有着重要的应用价值。在光片显微***中，贝塞尔光光片比高斯光光片拥有更高的空间分辨率以及更长的工作距离。阵列排布的贝塞尔光光片晶格配合微透镜阵列的体成像可以实现生物体成像，而产生贝塞尔光片晶格阵列最常用的方法就是微轴锥镜阵列。本发明首先将线性微轴锥镜的母线类型变更为指数型，再将其阵列化得到指数型非线性微轴锥镜阵列。当运用于光片显微照明技术时，生物样品可以直接在器件表面生长，在得到更加稳定均匀的照明光的同时也使观察细胞动态过程成为可能。

发明内容

本发明目的是为产生具有长工作距离的类贝塞尔照明光束并将其运用于集成化的光片成像***中，提供一种具有指数型高度分布函数的微轴锥镜阵列器件。

本发明提供的指数型非线性介质微轴锥镜阵列器件所产生的类贝塞尔光束在传播时会在出射平面附近形成工作距离较长，穿透能力好，强度分布均匀的光片。阵列化之后形成光片晶格阵列，可以实现对生物体的整体照明。产生类贝塞尔光束的方法是设计指数型非线性的微轴锥镜锥结构，入射光穿过微轴锥镜底面后发生折射和衍射，进而在出射平面后发生干涉形成类贝塞尔光场。针对不同大小的生物样品组织，可以控制器件的底面半径和非线性阶数即可调整器件的工作区域和类贝塞尔光束的工作距离，达到更好的照明效果。所述器件由以指数函数作为母线的介质微轴锥镜结构阵列化构成，该器件中单个非线性微轴锥镜在直角坐标系下的结构方程为：

器件的透过率函数可以表示为

其中：λ是入射光波长在百纳米量级，h₀是锥体的高度且在微米量级，n为折射率，R为器件底面半径在微米量级，k是单个元件的母线的曲线阶数。所述的器件材料为玻璃基底以及高分子塑料镜片，入射光应垂直器件底面入射。

阵列器件面积可以表示为：

S＝N×4R²

照明效率可以表示为：

其中S为正四边形排布模式下的器件面积，N为器件中的元件个数，η为器件的照明效率。

本发明的优点和积极效果：

本发明提供的指数型非线性介质微轴锥镜阵列器件，当入射光垂直入射并通过该器件之后，非线性的高度分布函数导致出射光干涉的区域发生变化，产生了类贝塞尔光束。

本发明的创新之处在于：第一，不同于线性的微轴锥镜器件产生的贝塞尔光束，由于本发明中介质微轴锥镜结构的引入了非线性的部分产生的光束不是严格意义上的贝塞尔光束，这种类贝塞尔光束在出射平面附近会有更大的工作范围和前端工作距离。第二，阵列化是本发明的另一个创新之处，传统荧光显微照明是直接使用光束照射样品整体，会对样品产生巨大的光毒性和光漂白效果，使活体生物的实验的动态研究很难开展。本发明将微纳米光学器件进行阵列化，可以将普通的高斯照明光转化为光片晶格阵列照明，在保证激发荧光信号的前提下极大减小了对生物体的损伤。同时，阵列化后单个元件之间的间隔可以用于培养生物组织，生物组织的生长发育过程直接可以实时观测而无需转移，使研究生物组织的动态发育过程更加便捷。

附图说明

图1是能够产生类贝塞尔光束的指数型非线性介质微轴锥镜阵列器件中单个元件的三视图，取k＝2作为演示说明。其中：(a)是二阶非线性介质微轴锥镜的主剖视图；(b)是二阶非线性介质微轴锥镜的左剖视图；(c)是二阶非线性介质微轴锥镜的俯视图；(d)是指数型非线性介质微轴锥镜阵列的俯视图。

图2是尺寸、材料、入射条件均相同的线性微轴锥镜产生的贝塞尔光束和二阶非线性微轴锥镜产生的类贝塞尔光束在xz平面内的电场强度E的分布图，两个器件的底面半径均为R＝5μm，高度均为h₀＝1μm，折射率均为n＝1.5，入射光均为λ＝500nm的平面波。(a)线性微轴锥镜产生的贝塞尔光束的电场分布，(b)二阶非线性微轴锥镜产生的类贝塞尔光束的电场分布

图3是几何光学模拟光入射尺寸、材料均相同的线性微轴锥镜和二阶非线性微轴锥镜的光线追迹结果。

图4是不同位置处二阶非线性微轴锥镜阵列器件的出射光场xy截面图。器件的底面边长为50μm，器件高度为1μm，阵列为5×5。z表示截面与该器件底面的距离。(a)是出射光场在z＝20μm处xy截面图；(b)是出射光场在z＝40μm处xy截面图；(c)是出射光场在z＝60μm处xy截面图；(d)是出射光场在z＝80μm处xy截面图。

图5是二阶非线性微轴锥镜阵列器件的出射光场xz截面图，总传播长度为200μm。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本发明提供一种能产生工作距离长且均匀的类贝塞尔光束的指数型非线性微轴锥镜阵列，其单个元件在直角坐标系的结构方程为：

其中：λ是入射光波长，h₀是锥体的高度且n为折射率，R为器件底面半径，k是单个元件的母线的曲线阶数。

本发明中指数型非线性微轴锥镜阵列器件的制作可采用光刻工艺和干法刻蚀技术来实现。其具体步骤如下：

(1)利用激光直写/电子束直写方法在光敏介质上曝光，并通过显影制作指数型非线性微轴锥镜阵列器件。非线性曲面的加工可以利用灰阶直写技术或非线性光刻胶实现。

(2)利用反应离子刻蚀/电感耦合等离子体刻蚀技术将指数型非线性微轴锥镜阵列器件转移到光学玻璃上。

具体应用实例1

非完全对称介质微轴锥镜相位器件的具体参数以如下为例：

材料为玻璃折射率n＝1.5，入射波长λ＝500nm，底面半径R＝5μm，高度h₀＝1μm。入射光为平面波垂直底面入射。

图2是尺寸、材料、入射条件均相同的线性微轴锥镜产生的贝塞尔光束和二阶非线性微轴锥镜产生的类贝塞尔光束在xz平面内的电场强度E的分布图。对比图2(a)和图2(b)可以看到：在光从器件出射的附近区域，线性微轴锥镜产生的贝塞尔光束强度较弱，随着传播距离增加，参与干涉的光束增加，进入到它的工作区间。而二阶非线性微轴锥镜产生的类贝塞尔光束在出射平面附近即可进入工作距离，并且持续的距离相对更长。因此本发明提出的二阶非线性微轴锥镜阵列产生的类贝塞尔光束可以相对于传统贝塞尔光束拥有更长的工作距离。

图3是几何光学模拟光入射尺寸、材料均相同的线性微轴锥镜和二阶非线性微轴锥镜的光线追迹结果，显示出了光的干涉区域。这一模拟结果解释了二阶非线性微轴锥镜阵列产生的类贝塞尔光束提前进入工作距离的原因，非线性的作用使出射光在传播距离较短时分布更加密集，较长时分布较为分散，于是弥补了传统轴锥镜中出射平面附近参与干涉的光束不足的问题。

图4是不同位置处二阶非线性微轴锥镜阵列器件的出射光场xy截面图，从出射平面开始，每间隔0.2μm取一个截面。由图中可以看出，在出射平面附近1μm以内，出射的光场就保持了很高的稳定性和聚焦特性，与图2中展示的单个器件的近场光场分布一致。这表明阵列化之后的二阶非线性微轴锥镜可以保持其工作区间。同时，每个出射的光束之间存在着较大间隔，这意味着光束阵列之间的串扰较小，可以形成良好的光片晶格阵列。

图5是二阶非线性微轴锥镜阵列器件的出射光场xz截面图。在该参数条件下，出射光场在前50μm内的强度分布都是均匀的，从50μm开始逐渐出现间隔，且间隔逐渐增大，这是由于非线性曲面的作用下距离越远的点参与到干涉的出射光越来越少引起的，这符合我们在器件表面培养生物组织并进行研究的期望。该光场强度分布图与图3中利用光线追迹的分析结果相吻合。指数型非线性轴锥镜阵列在光片显微技术、生物荧光成像和生物动力学研究方面有重要的应用价值。

Claims

1.一种能够产生具有类贝塞尔光束晶格阵列的非线性微轴锥镜阵列器件，其特征在于该器件中单个元件的母线为指数函数，该器件的微轴锥镜在直角坐标系下的结构方程为：

其中：该坐标系以单个元件底面圆心为原点，垂直底面方向为z轴，建立直角坐标系，R为单个元件的底面半径，决定着器件的工作区域，H是锥体的高度且另外，决定着器件曲线的弯折程度，也就决定了器件的聚焦效果和加工难度。而k是母线的阶数，k的取值决定了曲线的类型，k取值越高焦距越短，但也需要更大的底面半径来防止全反射的发生。当入射光以垂直底面方向入射并通过该器件之后，由于折射和衍射的效应，出射光束将会在非线性微轴锥镜器件前端形成具有类贝塞尔光束的光场分布，比传统的贝塞尔光束有更大的工作范围和前端工作区间。

2.根据权利要求1所述的非线性微轴锥镜阵列器件，其特征在于将单个的非线性微轴锥镜进行阵列化。阵列化之后带来了三个特性：第一，阵列化有利于工作距离的增加，相邻的微轴锥镜元件出射的光可以互相干涉，形成新的工作区域。第二，非线性微轴锥镜阵列可以产生与元件个数相同的光片晶格阵列，实现对生物样品的体照明。相对于传统的照明方式而言，这种照明技术既可以激发荧光信号又减少了对生物体的光漂白和光毒性。第三，阵列化之后元件之间会形成间隔区域，这些区域内可以用于生物样品的培养，相较于传统的培养后转移的方法，直接在器件表面培养需要观察的生物组织可以观测到组织的动态发育过程，降低外界的干扰。

3.根据权利要求1所述的非完全对称介质微轴锥镜相位器件，其特征在于：所述的器件材料为玻璃基底以及高分子塑料镜片；入射光波长为百纳米量级，入射时应垂直器件表面入射。