一种同时实现高精度激光直写与超分辨显微成像的方法与装置与流程

本发明涉及超高精密激光直写与超分辨光学显微成像领域，具体地，涉及一种同时实现高精度激光直写与超分辨显微成像的方法与装置。

背景技术：

1、激光直写技术因其具有灵活的三维微纳结构加工制造能力，在各个科学领域中具有广泛的应用。近年来，随着飞秒脉冲激光器的发展，飞秒脉冲引起的光与物质的相互作用机制在激光直写微纳结构打印中取得了长足进步，并开始施展其在科学、技术和产业应用方面的潜力。将飞秒激光器用于激光微纳加工的主要优势是可以利用各种非线性光与物质的相互作用机制，通过对光电离过程和热过程的控制，直接可以在亚100纳米大小的区域中实现具有最高精度的局部诱导光改性，从而形成功能结构和集成器件。为了进一步提高刻写精度，人们提出一种类似于sted超分辨显微成像的方法，即采用边缘光抑制效应(ppi)实现超高精度激光直写，将直写的最小特征尺寸提升至亚50nm。

2、为了对刻写的结构进行表征和监测，传统的方法是在刻写并显影后利用电子显微镜或者原子力显微镜进行观测。电子显微镜在观测前需对结构进行喷金操作，某些结构特别是微纳光学器件喷金后将影响其特性；此外电镜成像速度较慢，成本高昂，对环境要求较高。而原子力显微镜同样存在成像速度慢的问题。

技术实现思路

1、本发明要克服现有技术的上述缺点，提供一种同时实现高精度激光直写与超分辨显微成像的方法与装置，对刻写结构进行成像表征并对刻写进行监测。

2、本发明替代传统电镜和原子力显微镜对刻写结构进行成像的方式，利用光学显微的方法对刻写结构进行超分辨成像。通过在光刻胶内掺杂具有闪烁性能的荧光染料，在不影响光刻胶性能基础上，可以利用本发明装置对该掺杂染料的光刻胶进行高精度刻写；并利用本发明装置对刻写结构中进行随机光重构(storm)超分辨光学显微成像。

3、本发明的具体技术方案如下：

4、一种同时实现高精度激光直写与超分辨显微成像的方法，包括：

5、在光刻胶中掺杂可闪烁的荧光染料，利用边缘光抑制效应对该掺染料的光刻胶进行高精度微纳结构激光直写；接着，对刻写完的结构进行显影工艺；最后对刻写结构进行storm超分辨显微成像表征。

6、本发明还包括一种同时实现高精度激光直写与超分辨显微成像的装置，包括：用于实现光刻胶边缘光抑制效应的光路，包括激发光刻胶产生聚合的激发光路和抑制聚合过程的抑制光路；用于对所刻写微纳结构进行storm成像表征的光路包括荧光染料的激活光路和激发光路；进行荧光接收的探测光路；

7、所述实现光刻胶聚合的激发光路依次包括第一激光器、第一声光调制器、第一扩束镜、第一二分之一波片；

8、所述光刻胶抑制光光路依次经过第二激光器、第二声光调制器、第二扩束镜、第一反射镜、第二二分之一波片；

9、所述光刻胶激发光与抑制光经过偏振合束器进行合束，所述合束光光路依次经过分屏空间光调制器模块、四分之一波片、扫描振镜、扫描透镜、第一二向色镜、场镜、第二二向色镜、物镜、光刻胶样品；

10、所述荧光染料激活光路依次经过第三激光器、第三声光调制器、第二反射镜、透镜、第二二向色镜、物镜、刻写样品；

11、所述荧光染料激发光与激活光经过元件类似，但通过以全反射角入射到样品面；

12、所述成像探测光路依次经过物镜、第二二向色镜、场镜、第一二向色镜和相机；

13、还包括计算机。

14、作为优选的，第一激光器为皮秒或飞秒脉冲激光器，波长可为532nm；用于引发光刻胶的收聚合反应；

15、作为优选的，第二激光器为连续光激光器或皮秒脉冲激光器，波长为532nm，用于抑制光刻胶的聚合反应；

16、作为优选的，第三激光器为连续光激光器，其波长为405nm，用于荧光染料的激活；

17、作为优选的，第四激光器为连续光激光器，其波长为488nm，用于激发染料闪烁发荧光；

18、作为优选的，该光刻胶的引发剂可以为detc、itx或其他可以实现边缘光抑制效应的材料；

19、作为优选的，掺杂的染料可以为alexa fluor 488，或atto 488；

20、作为优选的第一二向色镜为短通型；

21、作为优选的，第二二向色镜为长通型；

22、实施本发明的同时实现高精度激光直写与超分辨显微成像的装置的方法，包括步骤：

23、(1)第一激光器发出的激光作为引发光刻胶聚合反应的激发光，所述激发光为线偏振光，经过第一声光调制器，通过改变第一声光调制器电压调控激发光的光强或开关，然后再经过第一扩束器进行光束扩束，再经过第一二分之一波片，调节激发光的线偏振方向；

24、(2)第二激光器发出的激光作为抑制光刻胶聚合的抑制光，所述抑制光为线偏振光，经过第二声光调制器，通过改变第二声光调制器电压调控激发光的光强或开关，然后再经过第二扩束器进行光束扩束，再经过第一反射镜反射，通过第二二分之一波片调节该抑制光的线偏振方向，然后经过偏振合束器与激发光进行合束；

25、(3)所述合束光经过左右分屏的空间光调制器模块进行波前相位调制，通过激发光与抑制光分别为互相垂直的线偏振态进行区分，左屏调节激发光相位，加载实心光相位图；右屏调节抑制光相位，加载空心光相位图，再经过四分之一波片，调节激发光与抑制光的偏振态为圆偏振态，然后经过扫描振镜进行光束的扫描，再经过扫描透镜汇聚后，经过第一二向色镜反射，再通过场镜准直，然后由第二二向色镜透射，再经过油浸物镜汇聚到光刻胶样品上，所述光刻胶样品放在盖玻片上，盖玻片放在样品槽上，样品槽放置在高精度样品位移台上；

26、(4)计算机控制激发光和抑制光光路中的第一声光调制器和第二声光调制器，以调节其开关以及光强控制，并控制振镜扫描和高精度样品台的位移，实现光束在光刻胶上高精度结构的ppi刻写，刻写完成后进行显影工艺，将显影完的样品再放回高精度样品位移台上进行storm超分辨显微成像表征；

27、(5)第三激光器发出的激光作为掺杂荧光染料的激活光，所述激活光依次经过第三声光调制器，调节其光强强度和开关，再经过第二反射镜反射，再通过透镜汇聚并由第二二向色镜反射，到油浸物镜的入瞳的中心位置，再经过物镜准直成平行光垂直入射到刻写结构样品上，以激活荧光染料发光；

28、(6)第四激光器发出的激光作为掺杂荧光染料的激发光，所述激发光依次经过第四声光调制器，调节其光强强度和开关，再经过第三反射镜反射，，再通过透镜汇聚并由第二二向色镜反射，到油浸物镜的入瞳的边缘位置，再经过物镜准直成平行光以全内反射角入射到刻写结构样品上；

29、(7)刻写结构发出的荧光经过油浸物镜收集，再经过第二二向色镜透射，再经过场镜汇聚，第一二向色镜透射，进入到相机进行成像；

30、(8)成像时，通过计算机控制第三声光调制器和第四声光调制器控制染料的激活光和激发光的开光和光强，首先打开激发光激发荧光染料开始闪烁，并在荧光亮度逐渐降低时加入激活光对荧光样品进行激活，相机拍摄得的每帧图像经过计算机重构算法进行拟合，最后重构出一幅刻写结构的超分辨图像。

31、本发明通过在一个系统中集成激光直写与光学显微成像，同时实现超分辨刻写与成像两个功能，实现刻写结构的无损、非侵入直写光学成像，相比于刻写后通过电镜和原子力显微镜进行表征方式，操作更为简便，节约成本。

32、与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

33、(1)将高精度刻写与超分辨成像集成到一个系统中实现，通过光学方法进行成像，具有成像速度快、操作简便、无损、成本低廉等优势；

34、(2)同时将两个功能集成在一个系统中，可以实现对刻写结构的及时监测，系统简单紧凑。