阅读说明：本技术 一种产生并行超分辨焦斑的方法和装置 (Method and device for generating parallel super-resolution focal spots ) 是由 匡翠方 陈宇宸 刘旭 郝翔 *** 于 2019-09-10 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种产生并行超分辨焦斑的方法,具体为：使用空间光调制器将激光器发出的激发光调制为多焦点的高斯光斑；激光器发出的耗尽光经过偏振分束器和方向垂直的两个光栅分成四束耗尽光,并在物镜后焦面干涉生成多焦点的空心光斑；多焦点空心耗尽光抑制多焦点高斯激发光外圈激发的荧光分子发出荧光,从而并行地获得远小于衍射极限的有效荧光信号进行显微成像和激光直写光刻。本发明还公开一种产生并行超分辨焦斑的装置。本发明能够实现超高速和超高分辨率的受激发射损耗显微成像和激光直写光刻加工。(The invention discloses a method for generating parallel super-resolution focal spots, which specifically comprises the following steps: modulating excitation light emitted by a laser into a multi-focus Gaussian light spot by using a spatial light modulator; the depletion light emitted by the laser is divided into four depletion lights by the polarization beam splitter and two gratings with vertical directions, and the four depletion lights are interfered on a focal plane behind the objective lens to generate a multi-focus hollow light spot; the multifocal hollow depleted light inhibits fluorescent molecules excited by the outer ring of the multifocal Gaussian excitation light from emitting fluorescence, so that effective fluorescent signals far smaller than a diffraction limit are obtained in parallel to perform microscopic imaging and laser direct writing photoetching. The invention also discloses a device for generating the parallel super-resolution focal spots. The invention can realize the stimulated emission loss microscopic imaging and the laser direct-writing photoetching processing with ultrahigh speed and ultrahigh resolution.)

一种产生并行超分辨焦斑的方法和装置

技术领域

本发明属于光学工程领域，特别涉及一种产生并行超分辨焦斑的方法和装置。

背景技术

随着科学技术水平的不断发展，人们对微观世界的观察和操纵手段要求不断提高，因此迫切需要在亚50纳米尺度上发展光学感知与操控能力。而受激发射耗尽技术就是最常见的用于突破衍射极限进行光学感知和操控的技术手段。但是受激发射耗尽技术依赖于单点扫描方式，其运行速度受到较大的限制。因此，我们需要一种能够产生多个超分辨焦斑的技术来并行地实现快速超高分辨率的显微成像和激光直写光刻。

发明内容

本发明的目的为提供一种产生并行超分辨焦斑的方法，利用该方法可以显著提高受激发射损耗技术的速度。

本发明的另一目的为提供一种实现上述方法的产生并行超分辨焦斑装置，该装置可用于实现上述方法，使用空间光调制器使激发激光器发出的激发光分成n个实心激发光斑，再将损耗激光器发出的损耗光分成四个光束，并在后焦面发生干涉生成对应的n个空心损耗光斑，样品激发出的受激发射损耗荧光，进行显微成像和激光直写光刻后被对应的n个探测器分别接收，能够极大地提高普通受激发射损耗技术的成像速度。

为了实现上述目的，本发明提供的产生并行超分辨焦斑方法包括以下步骤：

1)激发激光器发出激发光，将其准直后转换为线偏振激发光，使用空间光调制器对所述线偏振激发光进行相位调制，生成n个高斯激发光束；

2)使用四分之一波片将所述相位调制后的线偏振激发光转换为圆偏振激发光，所述圆偏振激发光在二维扫描振镜系统的调制下投射在待测样品上进行二维扫描；

3)损耗激光器发出损耗光，将其准直后经过偏振分束器分为两束线偏振损耗光，所述两束线偏振损耗光分别经过光栅最终生成四束线偏振损耗光；

4)所述四束线偏振损耗光经过四分之一波片后转换为圆偏振光，再经过二维扫描振镜系统，聚焦在待测样品上产生干涉，形成n个空心损耗光斑；

5)损耗光斑将高斯激发光斑的外圈激发的荧光分子提前损耗掉，从而获得n个半高全宽更小的有效受激发射损耗荧光信号进行显微成像和激光直写光刻，再使用n个探测器接收所述待测样品在二维扫描过程中发出的n个有效荧光信号。

其中，所述线偏振激发光为p偏振光，因为空间光调制器只能调制p偏振光。

其中，将线偏振激发光转换为圆偏光再对样品进行扫描是为了使投射到样品上的光斑光强分布更均匀。

其中，根据需要的视场设置二维扫描振镜系统的扫描范围。

其中，所述经过偏振分束器的两束线偏振损耗光的偏振态互相垂直。

其中，所述激发光斑和损耗光斑一一对准。

本发明的原理如下：

激发激光器发出激发光，将其准直后转换为线偏振激发光，使用空间光调制器对所述线偏振激发光进行相位调制，生成多个高斯激发光束；再用四分之一波片将所述相位调制后的线偏振激发光转换为圆偏振激发光，然后在二维扫描振镜系统的调制下投射在待测样品上进行二维扫描；损耗激光器发出损耗光，将其准直后在二分之一波片和四分之一波片的作用下转换为圆偏振光，通过偏振分束器被分为两束线偏振损耗光，然后经过光栅变成四束线偏振损耗光，再经过二维扫描振镜系统，聚焦在待测样品上产生干涉，形成多个空心损耗光斑将高斯激发光斑的外圈损耗掉，获得多个半高全宽更小的受激发射损耗荧光信号进行显微成像和激光直写光刻。最后使用多个探测器接收待测样品发出的受激发射损耗荧光信号。

为实现上述另一目的，本发明还提供了一种产生并行超分辨焦斑的装置，包括产生激发光的激发系统，产生损耗光的损耗系统，样品成像和光刻的显微系统和收集样品发出荧光信号的探测系统。

在激发光路的光轴上，依次设有：

用于产生激发光的激发激光器；

用于将所述激发激光器发出的激发光准直的准直物镜；

用于将所述准直后的激发光转换为线偏振激发光的起偏器；

用于将所述线偏振激发光转换为p偏振激发光的二分之一波片；

用于对所述p偏振激发光进行相位调制产生n个高斯激发光斑的空间光调制器；优选产生100个高斯激发光斑；

用于将所述n个p偏振高斯激发光斑转换为圆偏振激发光的四分之一波片；

用于透射所述激发光的二色镜；

在损耗光路的光轴上，依次设有：

用于产生损耗光的损耗激光器；

用于将所述损耗激光器发出的损耗光准直的准直物镜；

用于将所述经过准直后的损耗光转换为线偏振损耗光的起偏器

用于调节所述线偏振损耗光强度的二分之一波片；

用于将所述经过光强调节的损耗光转换为圆偏振损耗光的四分之一波片；

用于将所述圆偏振损耗光分为一束p偏振损耗光和一束s偏振损耗光的偏振分束器；

用于将所述p偏振损耗光分为两束p偏振损耗光的光栅；

用于将所述s偏振损耗光分为两束s偏振损耗光的光栅；

用于将所述两束p偏振损耗光和两束s偏振损耗光合束的偏振分束器；

用于反射所述四束线偏振损耗光的二色镜；

在显微系统的光轴上，依次设有：

用于反射激发光和损耗光以及透射荧光的二色镜；

用于改变入射光的方位角并偏转光路，从而对样品进行二维扫描和解扫描的二维扫描振镜系统；

用于消除经过扫描振镜系统后的所述激发光和损耗光畸变，并将所述经过场镜的荧光准直和缩束，使振镜和物镜入瞳面共轭的扫描透镜；

用于将所述经过扫描透镜的激发光和损耗光准直和扩束，使振镜和物镜入瞳面共轭，并使所述经过物镜的荧光聚焦的场镜；

用于将所述经过场镜准直后的激发光和损耗光聚焦至样品，并使所述四束线偏振损耗光干涉产生100个损耗光斑以及收集样品台上样品发出的荧光信号的物镜；

用于放置待测样品的样品台。

在探测系统的光轴上，依次设有：

用于滤除二色镜透射的杂散光的滤光片；

用于将经过滤光片的所述荧光光束聚焦到100根多模光纤组成的光纤阵列上的聚焦透镜；

用于采集所述荧光信号的100个探测器组成的探测器阵列。

还设有用于控制所述激光器，空间光调制器和扫描振镜系统的控制器以及用于处理所述荧光信号的计算机；

所述空间光调制器的入射光和出射光的夹角应小于5度，以减小由于光穿过不止一个像素区域引起的串扰效应以及使相位行程接近设计值。

作为优选的，所述激发光的波长为440nm，损耗光的波长为532nm。

作为优选的，所述激发和损耗光斑，多模光纤和探测器阵列为10乘10的正方形阵列。

作为优选的，所述二维扫描振镜系统为三镜式振镜系统，以抑制扫描畸变，并有效折叠光路长度，保证系统结构的紧凑性。

作为优选的，所述探测器为雪崩光电二极管(APD)；

作为优选的，所述物镜的数值孔径(NA)为1.4；

本发明对比已有技术具有以下优点：

(1)具有低至亚50纳米的超高分辨率；

(2)具有远超普通受激发射损耗技术的极高的显微成像和激光直写光刻速度；

附图说明

图1为本发明的装置示意图；

图2为本发明中激发光斑阵列示意图；

图3为本发明中四束损耗光入射物镜的示意图；

图4为本发明中损耗光斑阵列示意图；

具体实施方式

下面结合实施例和附图来详细说明本发明，但本发明并不仅限于此。

一种产生并行超分辨焦斑的装置，如图1所示，包括：激发激光器1，第一单模光纤2，第一准直透镜3，第一起偏器4，第一二分之一波片5，空间光调制器6，第一反射镜7，第一四分之一波片8，第一二色镜9，第二二色镜10，二维扫描振镜系统11，扫描透镜12，场镜13，第二反射镜14，物镜15，样品台16，损耗激光器17，第二单模光纤18，第二准直透镜19，第二起偏器20，第二二分之一波片21，第二四分之一波片22，第一偏振分束器23，第一光栅24，第三反射镜25，第二光栅26，第四反射镜27，第二偏振分束器28，滤波片29，聚焦透镜30，多模光纤阵列31，探测器阵列32，计算机33。

本发明的装置实施例主要分为四部分：产生激发光的激发系统，产生损耗光的损耗系统，样品成像和光刻的显微系统和收集样品发出荧光信号的探测系统以及处理器，本实施例的处理器为计算机34。

其中，激发激光器1，第一单模光纤2，第一准直透镜3，第一起偏器4，第一二分之一波片5，空间光调制器6，第一反射镜7，第一四分之一波片8，第一二色镜9依次设置在激发系统的光轴上；

其中，损耗激光器17，第二单模光纤18，第二准直透镜19，第二起偏器20，第二二分之一波片21，第二四分之一波片22，第一偏振分束器23，第一光栅24，第三反射镜25，第二光栅26，第四反射镜27，第二偏振分束器28，第一二色镜9依次设置在损耗系统的光轴上；

其中，第二二色镜10，二维扫描振镜系统11，扫描透镜12，场镜13，第二反射镜14，物镜15，样品台16依次设置在显微系统的光轴上；

其中，滤波片29，聚焦透镜30，多模光纤阵列31，探测器阵列32依次设置在探测系统的光轴上；

其中，计算机33用于控制激发激光器1和损耗激光器17输出的激光状态，空间光调制器6的调制图案切换，二维扫描振镜系统11的扫描以及探测器阵列32的信号采集；

采用图1所示的装置，使用产生并行超分辨焦斑的方法如下：

1)激发激光器1发出激发光(本实施例采用波长为440纳米的激光作为激发光)被耦合进第一单模光纤2，再从第一单模光纤2出射后被第一准直透镜3准直，再通过第一起偏器4成为线偏振激发光，线偏振激发光通过二分之一波片5被调制为p偏振激发光后到达空间光调制器6进行相位调制，生成如图2所示的n个高斯激发光束，其中图2白色方框内表示最中心的那个高斯激发光斑；

2)第一反射镜7将调制后的p偏振激发光反射到第一四分之一波片8，第一四分之一波片8将所述相位调制后的p偏振激发光转换为圆偏振激发光，再经过第一二色镜9的透射和第二二色镜10的反射到达二维扫描振镜系统11，二维扫描振镜系统11改变入射的圆偏振激发光的方位角并偏转光路，二维扫描振镜系统出射的圆偏振激发光经过扫描透镜12后消除畸变，再经过场镜13的准直和扩束，被第二反射镜14反射到物镜15上，最后通过物镜15被聚焦到样品台16上的待测样品上；

3)损耗激光器17发出损耗光(本实施例采用波长为532纳米的激光作为损耗光)，被耦合进第二单模光纤18，再从第二单模光纤18出射后被第二准直透镜19准直，再通过第二起偏器20成为线偏振损耗光，使用第二二分之一波片21调整线偏振损耗光的强度后通过、第二四分之一波片22被调制为圆偏振损耗光，再通过第一偏振分束器23分为两束偏振态互相垂直的线偏振损耗光，一束线偏振损耗光经过横向排列的第一光栅24分为两束，再被第三反射镜25反射至第二偏振分束器28，另一束线偏振损耗光经过纵向排列的第二光栅26分为两束，再被第四反射镜27反射至第二偏振分束器28；

4)被第二偏振分束器28合束后的两对线偏振损耗光(一对线偏振空心损耗光偏振沿x轴方向，另一对沿y轴方向)经过第一二色镜9和第二二色镜10的反射到达二维扫描振镜系统11，二维扫描振镜系统11改变入射的两对线偏振损耗光的方位角并偏转光路，二维扫描振镜系统出射的两对线偏振损耗光经过扫描透镜12后消除畸变，再经过场镜13的准直和扩束，被第二反射镜14反射到物镜15上，最后如图3通过物镜15被聚焦到样品台16上的待测样品上产生干涉(两对线偏振空心损耗光)，形成如图4所示的n个空心损耗光束，其中图4白色方框内表示最中心的那个空心损耗光斑；

5)n个空心损耗光斑将n个高斯激发光斑的外圈激发的荧光分子提前损耗掉，从而获得n个分辨率更高的有效受激发射损耗荧光信号，所述有效受激发射损耗荧光信号对样品进行显微成像或激光直写光刻后被物镜15收集，之后被第二反射镜14反射到场镜上，再经过场镜13的聚焦和扫描透镜12的准直到达扫描振镜系统11，解扫描后被第二二色镜10透射至滤波片29，滤除其它波长的激光和荧光后被聚焦透镜30聚焦在多模光纤阵列31上。最后使用n个探测器组成的探测器阵列32并行接收所述待测样品在二维扫描过程中发出的n个有效荧光信号。

以上所述仅为本发明的较佳实施举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。