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CN111879737A - 一种产生高通量超衍射极限焦斑的装置和方法 - Google Patents

一种产生高通量超衍射极限焦斑的装置和方法 Download PDF

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CN111879737A CN201910855176.8A CN201910855176A CN111879737A CN 111879737 A CN111879737 A CN 111879737A CN 201910855176 A CN201910855176 A CN 201910855176A CN 111879737 A CN111879737 A CN 111879737A
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刘旭
徐良
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Abstract

本发明提供一种产生高通量超衍射极限焦斑的方法，包括步骤：1)生成激发光；2)将生成的损耗光调制为空心损耗光；3)将激发光和空心损耗光合束后转换为光束阵列；4)将光束阵列聚焦在样品上进行受激发射损耗生成高通量超衍射极限焦斑扫描样品。本发明还提供一种产生高通量超衍射极限焦斑的装置。本发明相较于现有技术：具有极高的受激发射损耗显微成像速度和激光直写光刻速度；具有低至几十纳米的超高分辨率。

Description

一种产生高通量超衍射极限焦斑的装置和方法
技术领域
本发明属于光学工程领域，特别涉及一种产生高通量超衍射极限焦斑的装置和方法。
背景技术
由于衍射极限的存在，自20世纪初以来远场光学显微镜的分辨率基本上局限于激发光波长的一半。虽然电子和扫描探针显微镜提供了更精细的细节，但它们无法非侵入性地对活细胞和组织以及其他透明材料进行三维成像。之后人们提出了各种各样的远场超分辨显微成像方法，其中受激发射耗尽显微技术发展最为成熟，应用也极为广泛。
受激发射耗尽显微技术主要是通过使用一个空心的损耗光束覆盖在衍射受限的激发光束上，使得光斑外圈被激发的荧光团瞬间回到基态，而光斑中心被激发的荧光分子正常发出荧光被接收作为有效信号，从而获得远超衍射极限的分辨率。但是受激发射耗尽显微技术是以单点扫描的形式成像，需要很长的成像时间，这限制了大视场范围的显微成像，同时其损耗光的光强较高，易造成样品的光漂白。
同时激光直写光刻技术通过聚焦光斑对样品材料进行作用，聚焦斑也会由于衍射极限导致加工精度受限，而且，单光束激光直写光刻系统加工速度较慢，达不到实际生产和应用的要求。
因此需要一种高通量超衍射极限焦斑来实现显微成像和激光直写光刻的超快速高分辨率。
发明内容
本发明的目的为提供一种产生高通量超衍射极限焦斑的方法，利用该方法可以生成超衍射极限的焦斑阵列，从而并行进行受激发射损耗显微成像或激光直写光刻，大大提高了成像和光刻的速度。
为了实现上述目的，本发明提供的产生高通量超衍射极限焦斑的方法包括以下步骤：
1)生成激发光；
2)将生成的损耗光调制为空心损耗光；
3)将激发光和空心损耗光合束后转换为光束阵列；
4)将光束阵列聚焦在样品上进行受激发射损耗生成高通量超衍射极限焦斑扫描样品。
为了使投射到样品上的光斑光强分布更均匀，优选的，所述的激发光和空心损耗光均转换为圆偏光再对样品进行扫描。
优选的，所述的光束阵列为方形阵列。如正方形或矩形阵列。
优选的，收集光束阵列激发样品发出的荧光，进行显微成像。
优选的，利用光束阵列聚焦在样品上的高通量超衍射极限焦斑进行光刻。
本发明的另一目的为提供一种实现上述方法的产生高通量超衍射极限焦斑的装置，该装置可用于实现上述方法，使用涡旋位相板将耗尽激光器发出的耗尽光调制为空心光束，再与激发激光器发出的激发光合束，然后通过多个分束器分成光束阵列，最后聚焦在样品面产生高通量超衍射极限的焦斑阵列，极大地提高了受激发射损耗显微技术和激光直写光刻技术的速度。
一种产生高通量超衍射极限焦斑的装置，包括：
激发光光源，用于发出激发光；
损耗光光源，用于发出损耗光；
调制器，用于将损耗光调制为空心损耗光；
分束系统，用于将激发光和空心损耗光合束后转换为光束阵列；
显微系统，用于将光束阵列聚焦在样品上进行受激发射损耗生成高通量超衍射极限焦斑扫描样品。
优选的，所述的激发光光源和损耗光光源分为多组，每组均包括一个激发光光源和一个损耗光光源。
优选的，所述的分束系统对应设置在每组激发光光源和损耗光光源的光路上，包括依次设置的：
用于将激发光和空心损耗光合束的第一分束器；
用于将合束后的光束分为多个等强度光束的第二分束器；
用于将所述多个等强度光束缩束的由一对透镜组成的4f系统。
优选的，所述的调制器为涡旋位相板。
优选的，还包括探测器阵列，与光束阵列相适应，用于收集发出的荧光进行显微成像。
本发明的装置中，主要包括产生激发光的激发系统，产生损耗光的损耗系统，产生光束阵列的分束系统，样品成像和光刻的显微系统以及样品发出荧光信号的探测系统。
在激发系统的光轴上，依次设有：
用于产生激发光的激发激光器(激发光光源)；
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圆偏振激发光的二分之一波片和四分之一波片。
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(损耗光光源)；
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空心损耗光的涡旋位相板；
用于将所述空心损耗光转换为圆偏振空心损耗光的二分之一波片和四分之一波片。
在分束光路的光轴上，依次设有
用于将所述圆偏振激发光和圆偏振空心损耗光合束的分束器；
用于将所述合束后的光束分为多个等强度光束的分束器；
用于将所述多个等强度光束缩束的由一对透镜组成的4f系统；
用于将所述缩束后的光束反射到二色镜形成阵列的反射镜。
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探测器阵列。
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，所述光束阵列，多模光纤阵列和探测器阵列为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；
本发明的原理如下：
激发激光器发出激发光，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激发光；损耗激光器发出损耗光，将其准直后通过涡旋位相板变为空心损耗光，然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空心损耗光，使用分束器将圆偏振激发光和圆偏振空心损耗光合束后再通过多个分束器分光后反射到二色镜产生光束阵列，然后在二维扫描振镜系统的调制下形成高通量超衍射极限焦斑投射在待测样品上进行二维扫描，进行受激发射损耗显微成像或激光直写光刻；最后样品发出的高通量超衍射极限荧光通过多模光纤阵列被探测器阵列接收。
本发明对比已有技术具有以下优点：
(1)具有极高的受激发射损耗显微成像速度和激光直写光刻速度；
(2)具有低至几十纳米的超高分辨率；
附图说明
图1为本发明产生高通量超衍射极限焦斑的示意图；
图2为本发明中产生一行高通量超衍射极限焦斑的装置示意图；
图3为本发明中多模光纤阵列和探测器阵列的排列方式示意图；
图4为本发明中高通量超衍射极限焦斑阵列示意图，其中A图为实心激发焦斑阵列示意图，B图为空心损耗焦斑阵列示意图，C图为产生的高通量超衍射极限焦斑阵列示意图。
具体实施方式
一种产生高通量超衍射极限焦斑的装置，其示意图如图1所示，包括十层激光器，其中每层有一个激发激光器和一个损耗激光器，每层激光器通过分束生成一行高通量超衍射极限焦斑，最后获得由十行高通量超衍射极限焦斑组成的高通量超衍射极限焦斑阵列。
每行高通量超衍射极限焦斑的产生装置如图2所示，包括：激发激光器1，第一单模光纤2，第一准直透镜3，第一二分之一波片4，第一四分之一波片5，第一分束器6，损耗激光器7，第二单模光纤8，第二准直透镜9，涡旋位相板10，第二二分之一波片11，第二四分之一波片12，第一反射镜13，第二分束器至第十分束器14-22，第二反射镜23，第一至第十聚焦透镜24-33，第一至第十发散透镜34-43，第三至第十一反射镜 44-52，第十二反射镜53，二色镜54，二维扫描振镜系统55，扫描透镜 56，场镜57，第十三反射镜58，物镜59，样品台60，滤波片61，第十一聚焦透镜62，多模光纤阵列63，探测器阵列64。
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，产生光束阵列的分束系统，样品成像和光刻的显微系统以及收集样品发出荧光信号的探测系统。
其中，激发激光器1，第一单模光纤2，第一准直透镜3，第一二分之一波片4，第一四分之一波片5，第一分束器6依次设置在激发系统的光轴上；
其中，损耗激光器7，第二单模光纤8，第二准直透镜9，涡旋位相板 10，第二二分之一波片11，第二四分之一波片12，第一反射镜13依次设置在损耗系统的光轴上；
其中，第二分束器至第十分束器14-22，第二反射镜23，第一至第十聚焦透镜24-33，第一至第十发散透镜34-43，第三至第十一反射镜44-52，第十二反射镜53依次设置在分束系统的光轴上。
其中，二色镜54，二维扫描振镜系统55，扫描透镜56，场镜57，第十三反射镜58，物镜59，样品台60依次设置在显微系统的光轴上；
其中，滤波片61，第十一聚焦透镜62，多模光纤阵列63，探测器阵列64依次设置在探测系统的光轴上；
采用图2所示的装置，使用产生一行高通量超衍射极限焦斑的方法如下：
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，再通过第一二分之一波片4和第一四分之一波片5被调制为圆偏振激发光后到达第一分束器6；
2)损耗激光器7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8，再从第二单模光纤8出射后被第二准直透镜9准直，再通过涡旋位相板10成为空心损耗光，使用第二二分之一波片11和第二四分之一波片12将所述空心损耗光为圆偏振空心损耗光，再被第一反射镜13反射至第一分束器6；
3)第一分束器6将所述圆偏振激发光和圆偏振空心损耗光合束，合束后的光束被第二分束器至第十分束器分为十束光强相等的光束，再各自通过由第一至第十聚焦透镜24-33和第一至第十发散透镜34-43组成的十个4f系统后被缩束，最后被第二反射镜23和第三至第十二反射镜44-53 反射至二色镜54产生光束阵列；
4)光束阵列经过二色镜54反射到达二维扫描振镜系统55，二维扫描振镜系统55改变入射光束阵列的方位角并偏转光路，二维扫描振镜系统 55出射的光束阵列经过扫描透镜56后消除畸变，再经过场镜57的准直和扩束，被第十三反射镜58反射到物镜59上，最后通过物镜59被聚焦在样品台60上放置的样品上进行受激发射损耗生成高通量超衍射极限焦斑扫描样品，进行显微成像或激光直写光刻；
5)样品发出的高通量超衍射极限荧光通过多模光纤阵列被探测器阵列接收
样品发射的高通量超衍射极限荧光信号被物镜59收集，之后被第十三反射镜58反射到场镜57上，再经过场镜57的聚焦和扫描透镜56的准直到达扫描振镜系统55，解扫描后被二色镜54透射至滤波片61，滤除其它波长的激光和荧光后被第十一聚焦透镜62聚焦在多模光纤阵列63上。最后使用探测器阵列64并行接收所述样品在二维扫描过程中发出的高通量超衍射极限荧光信号。
图3显示的是多模光纤阵列和探测器阵列的排列方式，由一百根多模光纤组成方形的多模光纤阵列，一百个APD探测器组成方形的探测器阵列。
图4为本发明中高通量超衍射极限焦斑阵列示意图，其中A图为实心激发焦斑阵列示意图，B图为空心损耗焦斑阵列示意图，C图为产生的高通量超衍射极限焦斑阵列示意图。。可以看出右图相比左图的半高全宽更小，也就是说分辨率更高。
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。

Claims (10)

1.一种产生高通量超衍射极限焦斑的方法，其特征在于，包括步骤：
1)生成激发光；
2)将生成的损耗光调制为空心损耗光；
3)将激发光和空心损耗光合束后转换为光束阵列；
4)将光束阵列聚焦在样品上进行受激发射损耗生成高通量超衍射极限焦斑扫描样品。
2.如权利要求1所述的产生高通量超衍射极限焦斑的方法，其特征在于，所述的激发光和空心损耗光均转换为圆偏光再对样品进行扫描。
3.如权利要求1所述的产生高通量超衍射极限焦斑的方法，其特征在于，所述的光束阵列为方形阵列。
4.如权利要求1所述的产生高通量超衍射极限焦斑的方法，其特征在于，收集光束阵列激发样品发出的荧光，进行显微成像。
5.如权利要求1所述的产生高通量超衍射极限焦斑的方法，其特征在于，利用光束阵列聚焦在样品上的高通量超衍射极限焦斑进行光刻。
6.一种产生高通量超衍射极限焦斑的装置，其特征在于，包括：
激发光光源，用于发出激发光；
损耗光光源，用于发出损耗光；
调制器，用于将损耗光调制为空心损耗光；
分束系统，用于将激发光和空心损耗光合束后转换为光束阵列；
显微系统，用于将光束阵列聚焦在样品上进行受激发射损耗生成高通量超衍射极限焦斑扫描样品。
7.如权利要求6所述的产生高通量超衍射极限焦斑的装置，其特征在于，所述的激发光光源和损耗光光源分为多组，每组均包括一个激发光光源和一个损耗光光源。
8.如权利要求6或7所述的产生高通量超衍射极限焦斑的装置，其特征在于，所述的分束系统对应设置在每组激发光光源和损耗光光源的光路上，包括依次设置的：
用于将激发光和空心损耗光合束的第一分束器；
用于将合束后的光束分为多个等强度光束的第二分束器；
用于将所述多个等强度光束缩束的由一对透镜组成的4f系统。
9.如权利要求6所述的产生高通量超衍射极限焦斑的装置，其特征在于，所述的调制器为涡旋位相板。
10.如权利要求6所述的产生高通量超衍射极限焦斑的装置，其特征在于，还包括探测器阵列，与光束阵列相适应，用于收集发出的荧光进行显微成像。
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