[发明专利]基于透明介质小球的暗斑产生方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于光学计量及超分辨成像领域，具体涉及一种实现超小聚焦场的暗斑聚焦方法及装置。

背景技术

随着当下科技发展，接触到的对象趋向于小型化，需要制造的物体或需要观察的物体都越来越超越传统光学显微镜所能观察到的范围。究其原因是受到衍射极限的限制，聚焦光斑体积无法达到所需要的大小。STED(stimulated emission depletion受激发射损耗)超分辨显微方法给光学显微镜的发展提供了一个比较好的方向，但是STED光需要产生一种中空型光斑，用于消光使得激发光范围更小，实现真正的点探测。而现有的技术依靠切向偏振光通过显微物镜聚焦可以得到一个中空型的光斑，但是光斑尺寸仍较大，不能很好的实现消光效果。为了使STED光学显微技术得到更准确的纳米尺度的信息或结构，甚至产生超小三维暗斑场以实现光镊，超越衍射极限的超小暗斑聚焦就显得非常必要了。

发明内容

本发明提供了一种基于透明介质小球的暗斑产生方法，将切向偏振与微小介质球相结合，实现超小聚焦暗斑。利用单一光束作为系统工作光束，节约了系统成本，增加了实用性；同时，聚焦后的暗斑尺寸在横向上可以达到衍射极限以下，可达到0.414λ，相对于显微物镜聚焦方法得到的暗斑尺寸更小，更有利于实际应用。

一种基于透明介质小球的暗斑产生方法，包括：将切向偏振光束入射到微米量级的透明介质小球，在所述的微米量级的透明介质小球的出射端得到暗斑；

其中，所述的微米量级的透明介质小球的尺寸为1～10um，所述的微米量级的透明介质小球的折射率为1.4～2，所述的微米量级的透明介质小球的球外介质折射率为1～1.33。

上述方法得到的暗斑，为超小聚焦暗斑，其尺寸在横向上可以达到衍射极限以下，可达到0.414λ，远低于显微物镜聚焦方法所得到光斑的横向尺寸。

所述的切向偏振光束，是作为工作光束直接入射；也可以由激光器发出的工作光束转换而来，所述的转换可以通过偏振转换器实现，也可以通过现有技术中其他方法实现。

所述的切向偏振光可以为平行光入射，也可以为汇聚光束作为工作光束入射，优选采用显微物镜将所述的切向偏振光束进行初步聚焦得到汇聚光束，再入射到所述的微米量级的透明介质小球进行聚焦。

本发明还提供了一种用于实现上述基于透明介质小球的暗斑产生方法的装置，依次包括：

用于产生切向偏振光束的器件；

用于将所述的切向偏振光束进行初步聚焦的显微物镜；

用于对所述的显微物镜的出射光进行进一步聚焦得到暗斑的微米量级的透明介质小球；所述的微米量级的透明介质小球的尺寸为1～10um，所述的微米量级的透明介质小球的折射率为1.4～2，所述的微米量级的透明介质小球的球外介质折射率为1～1.33；

用于固定所述微米量级的透明介质小球的盖玻片；

其中，所述的显微物镜、透明介质小球和盖玻片在所述的切向偏振光束的光路上。

本发明装置中，所述的用于产生切向偏振光束的器件，可以为直接发出切向偏振光束的光源；也可以由激光光源和偏振转换器组成，由激光光源发出激光并经偏振转换器转换得到切向偏振光束。偏振转换器可以为现有技术中实现圆柱形偏振光的转换的任何器件与装置，优选为瑞典ARCoptix公司的偏振转换器Radial-Azimuthal Polarization Converter。

本发明装置中，优选所述的微米量级的透明介质小球位于所述的显微物镜的焦平面附近。

由上述装置聚焦后得到的暗斑，其尺寸在横向上可以达到衍射极限以下，可达到0.414λ，远低于显微物镜聚焦所得到光斑的横向尺寸。

本发明的工作原理如下：

将激光器出射的工作光束，通过一个偏振装换器转换为切向偏振光束；而后，光束通过微米量级的透明介质小球聚焦，透明介质小球内的光子散射现象有利于产生倏逝波，有倏逝波参与下的光场更容易实现微小聚焦光斑。而切向偏振光束产生的聚焦光斑为中空型光斑。微米量级的透明介质小球的存在有助于聚焦暗斑的横向压缩。从而，在透明介质小球的出射端会得到一个横向尺寸远小于现有技术产生尺寸大小的聚焦暗斑。

常规透镜聚焦因为受到常规衍射极限的限制(0.61λ/NA)，无法得到更小的聚焦光斑，同理也无法得到更小的聚焦暗斑。而本发明中，将微米量级的透明介质小球与切向偏振光结合，在利用透明介质小球内的光子散射现象产生倏逝波使横向上聚焦更小的同时，又利用切向偏振光聚焦后得到中空型光斑，从而获得低于衍射极限的聚焦暗斑，在水中聚焦暗斑横向尺寸可达到0.414λ。