CN114895382B - 光片荧光显微镜波束整形光学元件及光片荧光显微镜 - Google Patents
光片荧光显微镜波束整形光学元件及光片荧光显微镜 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种光片荧光显微镜波束整形光学元件及光片荧光显微镜，该光学元件具有螺旋型结构的超构表面，该螺旋型结构的超构表面具有如下尺寸特征：螺旋型结构终端半径r通过如下方式确定：其中，λspp为超构表面等离基元共振波长，为螺旋型结构旋转角，r0为螺旋型结构起始半径。本发明提供的光片荧光显微镜波束整形光学元件具有亚波长空间分辨率的光学波前调控能力，能够对光的波前进行精准的整形，得到光斑大小达到亚波长以内的非衍射光束，从而提升医用光片显微镜的成像性能，并降低对成像目标物的光毒性，能更好的满足生命科学中对活细胞信息无创提取的应用需求。
Description
技术领域
本发明涉及光学成像技术领域，特别涉及一种光片荧光显微镜波束整形光学元件及光片荧光显微镜。
背景技术
在生命科学研究中，无创对活细胞提取尽可能多的时空信息是长久的追求。这要求成像系统在不影响生物活性的前提下，实现更大视野，更高分辨率，更高速的三维图像。光学显微成像技术发展迅速，从传统的宽场荧光显微镜成像已发展到最先进的光片显微镜成像。光片荧光显微镜(LSFM)其特点在于激发光的照明方式，即照明光轴与探测光轴相互垂直，照明光采用一张与成像面平行的薄“光片”，只有焦平面的样品被照亮，其上下的样品部分不受影响，具有天然的光学切片功能。光片荧光显微镜的原理如图1所示。光片荧光显微镜关键的核心技术在于光片的产生，最简单的方法是在光路中引入一个柱形透镜。高斯光束通过柱形透镜，聚焦后的光腰ω0＝λ/(π×NA)，即为光片厚度，共焦参数b＝2ω0/NA，即为有效视野长度。在大多数情况下，成像物镜的数值孔径NA值较低，光片厚度小于其景深，系统的轴向分辨率则由光片的厚度来决定。现在常见的光片系统则是通过在单个方向上扫描垂直于检测轴的聚焦光束来生成虚拟光片，称为数字扫描光片显微镜。
光片显微镜技术的发展一直是围绕着光片进行的。通过精准操作光片，提高LSFMs的性能：更高的分辨率，更大的视野，更好的光学切片，更快的成像速度，以及降低光漂白和光毒性。现有提高光片显微镜(光片性能)性能常见的技术途径是在显微镜物镜的瞳孔功能处，调整光学波前的振幅和相位，通过引入被动光学元件(例如振幅掩膜、相位掩膜、轴棱锥)或者主动波前整形器件(例如空间光调制器、可变形镜)，调整光学波前的振幅和相位，完成光束整形，实现要求的光片。这些技术的不足在于：
1)采用传统的被动光学元件进行光束整形，无法在亚波长尺度上调控入射光，限制了分辨率的提升；
2)采用主动波前整形器件进行光束整形，调节技术要求高，稳定性低，且成本高昂。
所以，现在需要提供一种更可靠的方案。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种光片荧光显微镜波束整形光学元件及光片荧光显微镜。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种光片荧光显微镜波束整形光学元件，该光学元件具有螺旋型结构的超构表面，该螺旋型结构的超构表面具有如下尺寸特征：
螺旋型结构终端半径r通过如下方式确定：
其中，λspp为超构表面等离基元共振波长，为螺旋型结构旋转角，r0为螺旋型结构起始半径；λ0为入射波波长，εd为空气介电常数，ε′m为超构表面材料介电常数。
优选的是，螺旋型结构的超构表面的高度为20-30nm。
优选的是，螺旋型结构的宽度为150-250nm。
优选的是，螺旋型结构旋转角为1080°,即3圈。
优选的是，匹配于入射波长为800nm的螺旋型结构的宽度为200nm。
优选的是，其通过以下方法制备得到：
1)依据尺寸特征建立该光片荧光显微镜波束整形光学元件的三维模型；
2)提供洁净的衬底；
3)在衬底表面通过旋转镀膜的方式均匀涂抹光刻胶；
4)在光刻胶表面通过化学气相沉积的方式沉积金属Cr，用于电子束刻蚀的电流导通；
5)按步骤1)建立的三维模型实施电子束光刻曝光光刻胶，通过刻蚀金属Cr薄膜，形成曝光缺口；
6)依次沉积金属Cr和金属Au，金属Cr的沉积厚度为1-2nm；
7)剥离光刻胶，得到光片荧光显微镜波束整形光学元件。
优选的是，所述步骤2)中依次使用丙酮、异丙醇和O2等离子体清洗衬底材料，获得洁净的衬底，该衬底为玻璃衬底。
本发明还提供一种光片荧光显微镜，其包括如上所述的光片荧光显微镜波束整形光学元件。
优选的是，该光片荧光显微镜还包括照明光源、照明物镜以及探测物镜，所述光片荧光显微镜波束整形光学元件设置在照明物镜和成像样品之间。
优选的是，所述光片荧光显微镜波束整形光学元件与成像位置之间的距离不大于1cm。
本发明的有益效果是：
本发明提供的光片荧光显微镜波束整形光学元件具有亚波长空间分辨率的光学波前调控能力，能够对光的波前进行精准的整形，得到光斑大小达到亚波长以内的非衍射光束，从而提升医用光片显微镜的成像性能，并降低对成像目标物的光毒性，能更好的满足生命科学中对活细胞信息无创提取的应用需求。
附图说明
图1为光片荧光显微镜原理示意图；
图2为本发明的实施例1中的螺旋型结构的超构表面的扫描电子显微图；
图3为本发明的实施例1中的螺旋型结构的超构表面光束整形的仿真图；
图4为本发明的实施例1中的光片荧光显微镜波束整形光学元件制备流程图；
图5为本发明的实施例2中的光片荧光显微镜的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
实施例1
一种光片荧光显微镜波束整形光学元件，该光学元件具有螺旋型结构的超构表面，依据几何相位和表面等离基元共振机理，结合光片显微镜光源参数，通过理论计算，确定超构表面的外形、尺寸，具体的，该螺旋型结构的超构表面具有如下尺寸特征：
螺旋型结构终端半径r通过如下方式确定：
其中，λspp为超构表面等离基元共振波长，为螺旋型结构旋转角，r0为螺旋型结构起始半径；λ0为入射波波长，εd为空气介电常数，ε′m为超构表面材料介电常数。
在优选的实施例中，螺旋型结构的超构表面的高度(H)为20-30nm，螺旋型结构的宽度(W)为150-250nm，螺旋型结构旋转角为1080°,即3圈。
在优选的实施例中，匹配于入射波长为800nm的螺旋型结构的宽度为200nm，具体结构尺寸如图2所示，其中，本实施例中，超构表面材料为金，针对金属金在玻璃衬底表面的等离基元共振波长为787.5nm。
本实施例中，针对如上超构表面的设计，建立了三维物理模型，合理设置仿真网格。通过麦克斯韦方程解法，傅里叶模态法，针对焦点处微納结构的严格矢量模拟，仿真聚焦光束与超构表面相互作用后，其能量、相位以及偏振分布的改变。仿真结果如图3所示，图中显示光束被聚焦在螺旋型微纳结构的中心，且光斑直径小于波长。
在一种优选的实施例中，该光片荧光显微镜波束整形光学元件通过采用化学气相沉积(CVD)、电子束刻蚀等主要工艺，配合超净室常用化学加工技术手段制备得到，参照图4，具体包括以下步骤：
1)依据尺寸特征建立该光片荧光显微镜波束整形光学元件的三维模型；
2)依次使用丙酮、异丙醇和O2等离子体清洗玻璃衬底；
3)在衬底表面通过旋转镀膜的方式均匀涂抹光刻胶；
4)在光刻胶表面通过化学气相沉积的方式沉积金属Cr，用于电子束刻蚀的电流导通；
5)按步骤1)建立的三维模型实施电子束光刻曝光光刻胶，通过刻蚀金属Cr薄膜，形成曝光缺口；
6)依次沉积金属Cr和金属Au；在优选的实施例中，金属Cr的沉积厚度为1-2nm；其中，工艺上直接沉积金属Au会很容易掉落，所以采用金属Cr是作为黏附层，且采用非常薄的黏附层即可；
7)剥离光刻胶，得到光片荧光显微镜波束整形光学元件。
实施例2
本实施例提供一种光片荧光显微镜，其包括实施例1的光片荧光显微镜波束整形光学元件，以及照明光源、照明物镜、探测物镜等必要组件，根据其工作状态要求，所述光片荧光显微镜波束整形光学元件垂直设置在照明物镜和成像样品之间，并尽量靠近成像位置，在优选的实施例中，所述光片荧光显微镜波束整形光学元件与成像位置之间的距离不大于1cm。
本发明通过设计合适的微纳超构表面的图形、尺寸，能够使光束在经微纳超构表面光学元件整形后，得到光斑大小在亚波长以内的非衍射光束。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。
Claims (2)
1.一种光片荧光显微镜，其特征在于，包括光片荧光显微镜波束整形光学元件、照明光源、照明物镜以及探测物镜，所述光片荧光显微镜波束整形光学元件设置在照明物镜和成像样品之间；
所述光片荧光显微镜波束整形光学元件与成像位置之间的距离不大于1cm；
所述光片荧光显微镜波束整形光学元件具有螺旋型结构的超构表面，该螺旋型结构的超构表面具有如下尺寸特征：
螺旋型结构终端半径r通过如下方式确定：
其中，λspp为超构表面等离基元共振波长，为螺旋型结构旋转角，r0为螺旋型结构起始半径；λ0为入射波波长，εd为空气介电常数，ε′m为超构表面材料介电常数；
螺旋型结构的超构表面的高度为20-30nm，螺旋型结构的宽度为150-250nm；螺旋型结构旋转角为360-1080°，即1-3圈；
对应于800nm的入射波长，采用的螺旋型结构的宽度为200nm；
所述的光片荧光显微镜通过以下方法制备得到：
1)依据尺寸特征建立该光片荧光显微镜波束整形光学元件的三维模型；
2)提供洁净的衬底；
3)在衬底表面通过旋转镀膜的方式均匀涂抹光刻胶；
4)在光刻胶表面通过化学气相沉积的方式沉积金属Cr，用于电子束刻蚀的电流导通；
5)按步骤1)建立的三维模型实施电子束光刻曝光光刻胶，通过刻蚀金属Cr薄膜，形成曝光缺口；
6)依次沉积金属Cr和金属Au，金属Cr的沉积厚度为1-2nm；
7)剥离光刻胶，得到光片荧光显微镜波束整形光学元件。
2.根据权利要求1所述的光片荧光显微镜，其特征在于，步骤2)中依次使用丙酮、异丙醇和O2等离子体清洗衬底材料，获得洁净的衬底，该衬底为玻璃衬底。
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| 光学旋涡光场调控与应用;袁小聪;;光学与光电技术(第06期);全文 * |
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| CN114895382A (zh) | 2022-08-12 |
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