[发明专利]一种基于球形微纳液滴透镜的聚焦可控超分辨显微装置

说明书

技术领域

本发明涉及光学显微成像领域，具体涉及一种基于球形微纳液滴透镜的聚焦可控超分辨显微装置。

背景技术

自1873年Abbe提出光学衍射极限的概念以来，如何突破光学衍射极限，获得更高质量的高分辨率图像一直是学术界研究的热点。直至超分辨光学成像技术的出现，突破了常规光学显微镜的分辨率极限，为生命科学、生物细胞学等领域研究提供了前所未有的解决方案。目前，主流的超分辨光学显微技术主要分为：以S.W.Hell等人提出的荧光发射损耗显微术为代表的目标开关与读取显微技术和以E.Betzig等人提出的光敏定位显微术以及X.Zhuang等人提出的随机光学重建显微术为代表的随机开关与读取显微技术。上述两类显微技术虽然都能够实现超分辨显微成像，但是仍存在着不足之处，如：系统结构复杂，成本较高，实现三维扫描时机械结构振动难以避免等。

而利用微纳结构产生光子纳米喷射效应，进行亚波长聚焦，实现超分辨成像的方法，由于具有结构简单、成本较低、无机械结构振动等特点，近年来得到了越来越多研究者的关注。2017年，在第66期的《物理学报》，周锐等人发表的题为《基于近场光学的微球超分辨显微效应》的论文中，通过在微球表面进行环刻同心环、中心遮挡和表面涂覆的方法来调节微球所产生的光子纳米喷射，突破衍射极限，实现超分辨显微成像。然而该结构中单个微球所产生的聚焦特性不可调控，因此无法对样品的不同深度进行超分辨显微成像，灵活性较差，无法实现样品的三维显微成像。

发明内容

本发明针对现有微纳结构在近场实现超分辨显微成像时存在聚焦特性不可控等缺点，提出了一种基于球形微纳液滴透镜的聚焦可控超分辨显微装置。该装置利用球形微纳液滴透镜产生光子纳米喷射，通过调控球形微纳液滴透镜聚焦特性，在无机械结构振动的情况下，实现对样品不同深度的扫描；并且能够结合微位移台调控样品台实现水平方向的扫描，完成对样品的三维超分辨显微成像。

一种基于球形微纳液滴透镜的聚焦可控超分辨显微装置，包括：激光器、反射镜、第一透镜组、二色镜、线偏振器、显微物镜、封装盒、球形微纳液滴透镜、微流管、微位移台、样品台、第二透镜组、成像器件、计算机控制系统；

所述激光器输出的光束入射到反射镜上，反射镜将入射光束反射到第一透镜组，经过第一透镜组后的光束进入二色镜，经过二色镜的透射后入射到线偏振器上，从线偏振器出射的线偏振光入射到显微物镜的后焦平面上，经过显微物镜后形成平行光束入射在球形微纳液滴透镜上，在球形微纳液滴透镜另一侧产生达到超分辨效应的光子纳米喷射，喷射的纳米光子激发样品台上的样品产生荧光；

荧光被显微物镜反向收集，经过显微物镜收集的荧光出射到线偏振器上，荧光经过线偏振器后入射到二色镜的表面，经过二色镜的反射后，通过第二透镜组聚焦到成像器件，实现成像。

本发明中，所述第一透镜组包括两个凸透镜，用于准直。

本发明中，所述第二透镜组包括两个凸透镜，用于聚焦。

本发明中，所述二色镜对激光器输出光束表现为高透，而对样品发射的荧光表现为高反；所述的高透，是指针对激光器输出光束，透射率在98%以上；所述的高反，是指针对样品发射的荧光，反射率在98%以上。

本发明中，所述线偏振器用于将光束调制为线偏振光，所述线偏振光的电场振动方向为水平方向，即与经过线偏振器的光束传输方向垂直。

本发明中，所述封装盒的下基板是载玻片，侧基板是间隔条；所述样品台内嵌于微位移台内；所述微位移台用于调控样品台，使样品台可以沿样品台所在平面的水平方向移动。

本发明中，所述光子纳米喷射是指球形微纳液滴经平行光束照射时，在相对于平行光束照射的球形微纳液滴透镜另一侧产生的一个直径为亚波长或半亚波长、发散角小、聚焦光强度高以及焦距大于2或小于2的聚焦光斑。

本发明中，所述计算机控制系统控制微流管在封装盒内释放或吸收液体，进而调控球形微纳液滴透镜的半径；所述球形微纳液滴透镜的半径越大，对应球形微纳液滴透镜的焦距越大，即可通过对微纳液滴透镜半径的调控实现对球形微纳液滴透镜焦距的调控；所述球形微纳液滴透镜的焦距为从球形微纳液滴透镜的端面到光子纳米喷射聚焦中心的距离。

本发明中，所述的超分辨效应是指利用球形微纳液滴透镜所产生的光子纳米喷射的半高宽小于激光器发射光束波长的二分之一；所述半高宽是指光强强度为最大光强一半时，所对应的光子纳米喷射的宽度。

作为优选，所述激光器输出的光束波长范围为570纳米到670纳米。

作为优选，所述球形微纳液滴透镜的材质为水。