[发明专利]一种三维空心光斑生成方法和装置

说明书

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0～2π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，0～2π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π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π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为：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：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，k₀为激光光束的波数，θ为入射光束的孔径角，sign为符号函数。