专利名称：一种三维空心光斑生成方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明属于超分辨显微领域，特别涉及一种三维空心光斑生成方法和装置。
背景技术：
在受激发射损耗显微镜(STED=Stimulated Emission Depletion Microscopy)等超分辨显微设备当中，为了实现三维超分辨显微，需要生成一个三维空心光斑。对于空心光斑，定义其尺寸为其光强分布曲线上相邻峰峰值之间的距离。由于所生成的三维空心光斑的尺寸将决定超分辨系统的分辨率，因此如何生成一个小尺寸三维空心光斑成为了提高超分辨系统分辨率的关键。随着科学技术的发展，科研工作者们提出了多种生成三维空心光斑的方法。但是由于受到光学衍射极限的限制，运用这些方法所生成的三维空心光斑的轴向尺寸将远大于其横向尺寸，从而导致了显微系统所能实现的轴向分辨率远差于横向分辨率。S. W. Hell将 0 2 π涡旋位相板和0/ π位相板组合使用来生成三维空心光斑。在这种方法中，0 2 π 涡旋位相板用于形成横向上的空心光斑，而0/π位相板则用于形成轴向上的空心光斑。当选用数值孔径为1. 4的显微物镜时，采用这种方法所形成的三维空心光斑的横向尺寸约为 0.64个波长，而轴向尺寸则为1.5个波长。还有研究者曾提出了将切向偏振光和径向偏振光相组合的方法来生成三维空心光斑。其中，切向偏振光用于生成横向空心光斑，径向偏振光用于实现轴向空心光斑。利用这种方法所生成的三维空心光斑的轴向尺寸仍然偏大，此外在受激发射损耗显微镜(STED stimulated Emission Depletion Microscopy)中运用时，这种光斑的消光能力受到了偏振方向的限制，导致可实现的分辨率不高。
发明内容
本发明提供了一种三维空心光斑生成方法和装置，所生成的三维空心光斑横向尺寸可为0. 56个波长，轴向尺寸可为0. 44个波长。本发明方法和装置可以较好地运用于受激发射损耗显微镜(STED stimulated Emission Depletion Microscopy)等超分辨显微设备当中，用以实现三维超分辨显微。一种三维空心光斑生成方法，包括以下步骤(1)激光光束准直后经第一偏振分光棱镜分解为第一垂直线偏振光和第一平行线偏振光；所述第一垂直线偏振光的光路和第一平行线偏振光的光路互相垂直；(2)将所述第一垂直线偏振光进行第一光线折转后，入射到第一相位调制器进行第一相位调制，得到第一调制光束；所述第一调制光束经第二光线折转后，垂直入射到第二偏振分光棱镜并被全部反射，得到第一工作光束；将所述第一平行线偏振光进行第三光线折转后，入射到第二相位调制器上进行第二相位调制，得到第二调制光束；所述第二调制光束垂直入射到第二偏振分光棱镜并被全部透射，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)将所述第一工作光束通过1/4波片转换成第一圆偏振光，其旋转方向为右旋；所述第一圆偏振光通过显微物镜之后，作为第一投射光束投射到样品面上，所述第一投射光束透过所述样品面后，入射到位于所述显微物镜的焦平面处的介质膜反射镜并被反射， 得到第一反射光束，所述第一反射光束与所述第一投射光束在所述介质膜反射镜的反射面上的相位差为η的偶数倍；所述第一反射光束投射到所述样品面上，与所述第一投射光束进行干涉，形成轴向空心光斑；将所述第二工作光束通过1/4波片转换成第二圆偏振光，其旋转方向为左旋；所述第二圆偏振光通过所述显微物镜之后，作为第二投射光束投射到所述样品面上，所述第二投射光束透过所述样品面后，入射到所述介质膜反射镜并被反射，得到第二反射光束，所述第二反射光束与所述第二投射光束在所述介质膜反射镜的反射面上的相位差为η的偶数倍；所述第二反射光束投射到所述样品面上，与所述第二投射光束进行干涉，形成横向空心光斑；(4)所述轴向空心光斑和所述横向空心光斑在所述样品面处光强叠加，形成三维空心光斑；其中，所述第一相位调制器进行第一相位调制所采取的第一相位调制函数/(A妁为J人P,Ψ) = ^Sign[sm(z0k0 cos^)]，所述第二相位调制器进行第二相位调制所采取的第二
相位调制函数y2(A肖为/2(仏妁=|细11间11(2人0)3内]+识，其中，ρ为光束上某点与光
轴的距离4为光束垂直光轴剖面内位置极坐标矢量与χ轴的夹角，Z0为所述介质膜反射镜与所述样品面之间的距离，1 为激光光束的波数，θ为入射光束的孔径角，sign为符号函数。本发明中，所述准直可通过单模光纤和准直透镜实现，所述第一光线折转、第二光线折转和第三光线折转均可以通过光线折转组件实现，所述光线折转组件可以为一个反射镜，也可以为一个以上的反射镜构成的反射镜组。为了实现最佳的效果，在进行第一相位调制和第二相位调制前后，可以采用光线折转组件进行光线折转调节，也可以光线直接入射和出射，根据具体需要来确定。在进行相位调制时，通常以光束小于45°入射为佳；而进入第二偏振分光棱镜的垂直或平行线偏振光，则以垂直入射为佳，可使得光线被全部反射或透射，避免能量的损失。当然，同时也要考虑到尽量简化光路结构。本发明还提供了一种三维空心光斑生成装置，包括激光器、单模光纤和准直透镜、第一偏振分光棱镜、第一光线折转组件、第二光线折转组件、第一相位调制器、第三光线折转组件、第二相位调制器、第二偏振分光棱镜、1/4波片、显微物镜、样品面和介质膜反射镜；其中，所述激光器，用于发出激光光束；所述单模光纤和准直透镜，位于所述激光光束的光轴上，用于对所述激光光束进行准直得到准直光束；所述第一偏振分光棱镜位于所述准直光束的光轴上，用于将所述准直光束偏振分光为第一垂直线偏振光和第一平行线偏振光；所述第一垂直线偏振光的光路和所述第一平行线偏振光的光路互相垂直；所述第一光线折转组件，位于所述第一偏振分光棱镜和所述第一相位调制器之间，用于对所述第一垂直线偏振光进行第一光线折转，使得折转后的光束能够入射到所述第一相位调制器上；所述第一相位调制器，用于对经所述第一光线折转组件光线折转后的光束进行第一相位调制，得到第一调制光束；所述第二光线折转组件，位于所述第一调制光束的光路上，用于对所述第一调制光束进行第二光线折转，使得折转后的光束垂直入射到所述第二偏振分光棱镜；所述第三光线折转组件，位于所述第一偏振分光棱镜和所述第二相位调制器之间，用于对所述第一平行线偏振光进行第三光线折转，使得折转后的光束能够入射到所述第二相位调制器上；所述第二相位调制器，用于对经所述第三光线折转组件光线折转后的光束进行第二相位调制，得到第二调制光束；所述第二调制光束垂直入射到所述第二偏振分光棱镜；所述第二偏振分光棱镜，用于使经所述第二折转组件光路折转后的光束完全反射，得到第一工作光束；同时还用于使所述第二调制光束完全透射，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、所述显微物镜、所述样品面和所述介质膜反射镜依次位于所述第二工作光束的光轴(也是第一工作光束的光轴)上；所述1/4波片垂直于ζ轴放置，且其快轴位于xy坐标面内的第二和第四象限，并与χ轴成45°夹角；所述1/4波片用于将所述第一工作光束转换为第一圆偏振光，其旋转方向为右旋；同时还用于将所述第二工作光束转换为第二圆偏振光，其旋转方向为左旋； 所设xyz坐标系中，所述ζ轴与所述第二工作光束的光轴平行；所述显微物镜，用于将所述第一圆偏振光投射到所述样品面上，且入射到所述样品面上的光束为第一投射光束；同时还用于将所述第二圆偏振光投射到所述样品面上，且入射到所述样品面上的光束为第二投射光束；所述样品面，与所述介质膜反射镜的间距为、，用于放置待测样品；所述介质膜反射镜，位于所述显微物镜的焦平面处，用于对透过所述样品面的第一投射光束进行反射得到第一反射光束，同时还用于对透过所述样品面的第二投射光束进行反射得到第二反射光束；所述介质膜反射镜的反射特性使得所述第一反射光束与所述第一投射光束在所述介质膜反射镜的反射面处的相位差为η的偶数倍，所述第二反射光束与所述第二投射光束在所述介质膜反射镜的反射面处的相位差为η的偶数倍；其中，所述第一相位调制器进行第一相位调制所采取的第一相位调制函数/(A勿
为J人Ρ,Φ) = ^Sign[sm(z0k0 cos^)]，所述第二相位调制器进行第二相位调制所采取的第二相位调制函数/2(A勿为/2(p,<3) = isign[sin(z。A:。cos^] +识，其中，ρ为光束上某点与光轴的距离>为光
束垂直光轴剖面内位置极坐标矢量与X轴的夹角，Z0为所述介质膜反射镜与所述样品面之间的距离，1 为激光光束的波数，θ为入射光束的孔径角，sign为符号函数。优选的技术方案中，所述显微物镜的数值孔径NA = 1. 4。优选的技术方案中，所述第一光线折转组件为一个反射镜或由一个以上的反射镜组成的反射镜组；所述第二光线折转组件为一个反射镜或由一个以上的反射镜组成的反射镜组；所述第三光线折转组件为一个反射镜或由一个以上的反射镜组成的反射镜组。本发明原理如下在常规显微系统中，当工作光束通过显微物镜投射到样品面上时，在样品面上所成光斑的轴向尺寸将远大于其横向尺寸。这是因为在常规显微系统中，工作光束仅仅被投射在样品面的一侧，这种照射方向的不对称性导致了所成光斑尺寸的各向异性。而在本发明中，分别对第一垂直线偏振光和第一平行线偏振光进行第一相位调制和第二相位调制，得到第一调制光束和第二调制光束；第一调制光束和第二调制光束合束后得到工作光束，经同一 1/4波片分别转换为第一圆偏振光和第二圆偏振光，第一圆偏振光和第二圆偏振光经显微物镜投射后，在显微物镜的焦点附近都存在两个聚焦点位置，这两个聚焦点均位于工作光束的光轴上，并且若以显微物镜的焦点为坐标原点，则这两个聚焦点的轴向位置分别为~和-Z00由于在显微物镜的焦平面位置设置有一介质膜反射镜， 并且将样品面放置于处，则通过显微物镜后投射到样品面的光束和透过样品面后再由介质膜反射镜反射的光束均聚焦于样品面处并进行干涉。由于对于所用激光波长，介质膜反射镜的反射光和入射光在反射面处的相位差为η的偶数倍，因此干涉形成的光斑分别为横向空心光斑和轴向空心光斑，两者光强叠加形成三维空心光斑。由于光束分别从样品面的两侧向样品面投射，从而有效地压缩在样品面上所成光斑的轴向尺寸，提高显微系统的分辨率。通过改变第一相位调制器和第二相位调制器的调制函数中、的值，可以调整光束所成两聚焦点的位置，从而实现轴向扫描。本发明的三维空心光斑生成装置可以较好地应用于受激发射损耗显微镜等超分辨显微设备中，以提高显微系统的分辨率。相对于现有技术，本发明具有以下有益的技术效果(1)大大压缩了所生成的三维空心光斑的轴向尺寸；(2)进一步压缩了所生成的三维空心光斑的横向尺寸；(3)装置简单，使用方便；(4)能较好地应用于受激发射损耗显微镜等超分辨显微设备中，以提高显微系统的分辨率。
图1为本发明的三维空心光斑生成装置的示意图；图2为本发明的三维空心光斑生成装置应用于受激发射损耗显微镜时的示意图；图3为本发明中第一投射光束在显微物镜焦点附近光场分布归一化曲线示意图；图4为本发明中第二投射光束在显微物镜焦点附近光场分布归一化曲线示意图；图5为本发明所生成的三维空心光斑轴向的归一化光强分布曲线图；图6为本发明所生成的三维空心光斑横向的归一化光强分布曲线图；图7为本发明所生成三维空心光斑与Hell法所生成三维空心光斑的轴向归一化光强分布曲线比较示意图；图8为本发明所生成三维空心光斑与Hell法所生成三维空心光斑的横向归一化光强分布曲线比较示意图。
具体实施例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。如图1所示，一种三维空心光斑生成装置，包括第一激光器1，第一单模光纤2，第一准直透镜3，第一偏振分光棱镜4，第一反射镜5，第二反射镜6，第三反射镜7，第一相位调制器8，第二相位调制器9，第四反射镜10，第二偏振分光棱镜11，1/4波片12，显微物镜 13，样品面14，介质膜反射镜15。其中，第一单模光纤2和第一准直透镜3位于第一激光器1发出的光束的光轴上， 并对第一激光器1发出的光束进行准直处理得到准直光束；第一偏振分光棱镜4位于该准直光束的光轴上，将垂直入射的准直光束偏振分光为第一垂直线偏振光Rl和第一平行线偏振光R2，第一垂直线偏振光Rl的光路和第一平行线偏振光R2的光路互相垂直。第一反射镜5和第二反射镜6构成第一光线折转组件，位于第一偏振分光棱镜4 和第一相位调制器8之间，将入射的第一垂直线偏振光Rl进行第一光线折转，使得折转后的光束能够入射到第一相位调制器8上；第一相位调制器8的第一相位调制函数设为 Μρ, φ)，且
权利要求
1.一种三维空心光斑生成方法，其特征在于，包括以下步骤(1)激光光束准直后经第一偏振分光棱镜分解为第一垂直线偏振光和第一平行线偏振光；所述第一垂直线偏振光的光路和第一平行线偏振光的光路互相垂直；(2)将所述第一垂直线偏振光进行第一光线折转后，入射到第一相位调制器进行第一相位调制，得到第一调制光束；所述第一调制光束经第二光线折转后，垂直入射到第二偏振分光棱镜并被全部反射，得到第一工作光束；将所述第一平行线偏振光进行第三光线折转后，入射到第二相位调制器上进行第二相位调制，得到第二调制光束；所述第二调制光束垂直入射到第二偏振分光棱镜并被全部透射，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)将所述第一工作光束通过1/4波片转换成第一圆偏振光，其旋转方向为右旋；所述第一圆偏振光通过显微物镜之后，作为第一投射光束投射到样品面上，所述第一投射光束透过所述样品面后，入射到位于所述显微物镜的焦平面处的介质膜反射镜并被反射，得到第一反射光束，所述第一反射光束与所述第一投射光束在所述介质膜反射镜的反射面上的相位差为η的偶数倍；所述第一反射光束投射到所述样品面上，与所述第一投射光束进行干涉，形成轴向空心光斑；将所述第二工作光束通过1/4波片转换成第二圆偏振光，其旋转方向为左旋；所述第二圆偏振光通过所述显微物镜之后，作为第二投射光束投射到所述样品面上，所述第二投射光束透过所述样品面后，入射到所述介质膜反射镜并被反射，得到第二反射光束，所述第二反射光束与所述第二投射光束在所述介质膜反射镜的反射面上的相位差为η的偶数倍；所述第二反射光束投射到所述样品面上，与所述第二投射光束进行干涉，形成横向空心光斑；(4)所述轴向空心光斑和所述横向空心光斑在所述样品面处光强叠加，形成三维空心光斑；其中，所述第一相位调制器进行第一相位调制所采取的第一相位调制函数/(A妁为 f人Ρ,Ψ) = ^sign[sm(z0k0 cos^)]，所述第二相位调制器进行第二相位调制所采取的第二相位调制函数y2(A肖为/2(仏妁=|细!1间11(2。&0)3内]+识，其中，P为光束上某点与光轴的距离4为光束垂直光轴剖面内位置极坐标矢量与X轴的夹角，Z0为所述介质膜反射镜与所述样品面之间的距离，1 为激光光束的波数，θ为入射光束的孔径角，sign为符号函数。
2.用于实现如权利要求1所述的三维空心光斑生成方法的三维空心光斑生成装置，其特征在于，包括激光器、单模光纤和准直透镜、第一偏振分光棱镜、第一光线折转组件、第二光线折转组件、第一相位调制器、第三光线折转组件、第二相位调制器、第二偏振分光棱镜、1/4波片、显微物镜、样品面和介质膜反射镜；其中，所述激光器，用于发出激光光束；所述单模光纤和准直透镜，位于所述激光光束的光轴上，用于对所述激光光束进行准直得到准直光束；所述第一偏振分光棱镜位于所述准直光束的光轴上，用于将所述准直光束偏振分光为第一垂直线偏振光和第一平行线偏振光；所述第一垂直线偏振光的光路和所述第一平行线偏振光的光路互相垂直；所述第一光线折转组件，位于所述第一偏振分光棱镜和所述第一相位调制器之间，用于对所述第一垂直线偏振光进行第一光线折转，使得折转后的光束能够入射到所述第一相位调制器上；所述第一相位调制器，用于对经所述第一光线折转组件光线折转后的光束进行第一相位调制，得到第一调制光束；所述第二光线折转组件，位于所述第一调制光束的光路上，用于对所述第一调制光束进行第二光线折转，使得折转后的光束垂直入射到所述第二偏振分光棱镜；所述第三光线折转组件，位于所述第一偏振分光棱镜和所述第二相位调制器之间，用于对所述第一平行线偏振光进行第三光线折转，使得折转后的光束能够入射到所述第二相位调制器上；所述第二相位调制器，用于对经所述第三光线折转组件光线折转后的光束进行第二相位调制，得到第二调制光束；所述第二调制光束垂直入射到所述第二偏振分光棱镜；所述第二偏振分光棱镜，用于使经所述第二光线折转组件光路折转后的光束完全反射，得到第一工作光束；同时还用于使所述第二调制光束完全透射，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、所述显微物镜、所述样品面和所述介质膜反射镜依次位于所述第二工作光束的光轴上；所述1/4波片垂直于ζ轴放置，且其快轴位于xy坐标面内的第二和第四象限，并与χ轴成45°夹角；所述1/4波片用于将所述第一工作光束转换为第一圆偏振光，其旋转方向为右旋；同时还用于将所述第二工作光束转换为第二圆偏振光，其旋转方向为左旋；所设xyz 坐标系中，所述ζ轴与所述第二工作光束的光轴平行；所述显微物镜，用于将所述第一圆偏振光投射到所述样品面上，且入射到所述样品面上的光束为第一投射光束；同时还用于将所述第二圆偏振光投射到所述样品面上，且入射到所述样品面上的光束为第二投射光束；所述样品面，与所述介质膜反射镜的间距为^，用于放置待测样品； 所述介质膜反射镜，位于所述显微物镜的焦平面处，用于对透过所述样品面的第一投射光束进行反射得到第一反射光束，所述第一反射光束与所述第一投射光束在所述介质膜反射镜的反射面处的相位差为η的偶数倍；同时还用于对透过所述样品面的第二投射光束进行反射得到第二反射光束，且所述第二反射光束与所述第二投射光束在所述介质膜反射镜的反射面处的相位差为η的偶数倍；其中，所述第一相位调制器进行第一相位调制所采取的第一相位调制函数/(A勿为=COS^)]，所述第二相位调制器进行第二相位调制所采取的第二相位调制函数为/2(仏妁=|细11间11(2。&0)3内]+识，其中，P为光束上某点与光轴的距离4为光束垂直光轴剖面内位置极坐标矢量与χ轴的夹角，Z0为所述介质膜反射镜与所述样品面之间的距离，1 为激光光束的波数，θ为入射光束的孔径角，sign为符号函数。
3.如权利要求2所述的三维空心光斑生成装置，其特征在于，所述显微物镜的数值孔径 NA = 1. 4。
4.如权利要求2所述的三维空心光斑生成装置，其特征在于，其特征在于，所述第一光线折转组件为一个反射镜或由一个以上的反射镜组成的反射镜组。
5.如权利要求2所述的三维空心光斑生成装置，其特征在于，其特征在于，所述第二光线折转组件为一个反射镜或由一个以上的反射镜组成的反射镜组。
6.如权利要求2所述的三维空心光斑生成装置，其特征在于，其特征在于，所述第三光线折转组件为一个反射镜或由一个以上的反射镜组成的反射镜组。
全文摘要
本发明公开了一种三维空心光斑生成方法和装置。该装置包括激光器、单模光纤和准直透镜、第一偏振分光棱镜、若干光线折转组件、两相位调制器、第二偏振分光棱镜、1/4波片、显微物镜、样品面和介质膜反射镜。该方法包括分别对垂直线偏振光和平行线偏振光进行不同的相位调制，将调制后两光束合束后经同一1/4波片转换为两圆偏振光，再经显微物镜投射后透过样品面并被介质膜反射镜反射，入射到样品面的反射光线和投射光线发生干涉，分别形成横向和轴向空心光斑，两者光强叠加形成三维空心光斑，其横向尺寸可为0.56个波长，轴向尺寸可为0.44个波长。本发明可应用于受激发射损耗显微镜等超分辨显微设备中实现三维超分辨显微。
文档编号G02B21/18GK102540476SQ20121005225
公开日2012年7月4日 申请日期2012年3月1日 优先权日2012年3月1日
发明者刘旭, 匡翠方, 李帅, 郝翔 申请人:浙江大学