[发明专利]可实时反馈轴向光阱位置的光镊超分辨成像方法和系统

说明书

本发明涉及一种可实时反馈轴向光阱位置的光镊超分辨成像方法和系统，包括激光器(1)、压电驱动反射镜(2)、可调共轭镜组(3)、纳动促动器(4)、第一分光镜(5)、物镜(6)、第二分光镜(7)、成像透镜(8)、成像相机(9)、照明光源(10)、非中心对称式光阑(11)、反馈透镜(12)、反馈相机(14)、透明微球(15)，其中，激光器(1)出射的平行激光射至压电驱动反射镜(2)的中心位置，由压电驱动反射镜(2)的自身旋转改变激光的传播方向，并控制其在物镜(6)下的水平聚焦位移。通过纳动促动器(4)调节可调共轭镜组(3)后共轭透镜的位移可控制其在物镜(6)下的纵向聚焦高度。

技术领域

本发明涉及具有可实时反馈轴向光阱位置的光镊光学超分辨成像方法和系统。

背景技术

由于衍射极限的存在，传统光学显微镜无法观测到分辨率小于0.6倍照明光波长的图像信息，限制了如芯片、蛋白等微观结构的研究与探索。因此包括原子力显微镜、电子束显微镜等不依赖于光学成像的新型样貌表征技术孕育而生。然而，这些新技术依然存在很多的技术壁垒难以解决，且部分技术对工作环境极其苛刻。例如，原子力显微镜工作时需要周边环境零振动以防止探针被干扰，电子束显微镜更是需要真空条件下才能实现样品的正常成像，且待测样品需有一定电子转移能力。此外，由于采用了非光学成像方式，这些技术需要对样品的每一点进行单独的扫描，其扫描过程的时长远高于光学成像方式。因此，这些新型的非光学成像技术难以做到轻量化、实时化且全面化的形貌表征。

在过去的研究中，透明微球已被证明可以突破光学的衍射极限，实现一种简单、快速化、大视场的超分辨成像能力，具有广阔的应用前景。然而，如何放置和实现微球的精准位移，并同时进行实时超分辨成像一直以来都是该项技术的难点，严重限制了其在实际运用中的发展。光镊技术利用高度聚焦的激光束产生具有强光学梯度的光阱，具有纳米级别的空间位移分辨率、皮牛量级的力学测量以及非接触、无损伤的特点，被广泛应用于单分子生物力学、微观物理学等领域。由于其具有稳定捕获微米级粒子的特点，光镊技术可代替传统的悬臂梁等机械结构，实现透明微球的精准位移，实现基于光镊的微球超分辨成像。

然而，到目前为止，基于光镊的微球超分辨成像依然存在很多限制：

1传统光镊系统在光路中具有多个分光镜、二向色镜等必要光学部件用于耦合、分离、过滤照明光与捕获激光^[1]，不仅会降低照明光强度，还会引入更多的干扰，影响到成像模组的分辨率及对比度，不利于超分辨成像；

2由于捕获微球用的激光和超分辨用的照明光波长并不一致，物镜下激光的光阱位置会和照明光的聚焦位置存在一定的纵向高度差，这意味着超分辨的放大倍率及焦点位置只能由微球的材质及缓冲溶液的成分决定^[2][3]，较大程度的限制了微球超分辨的推广运用。

参考文献

[1]SIRINAKIS G,REN Y,GAO Y等.Combined versatile high-resolutionoptical tweezers and single-molecule fluorescence microscopy[J].Review ofScientific Instruments,2012,839.DOI:10.1063/1.4752190.

[2]YAN B,WANG Z,PARKER A L等.Superlensing microscope objective lens[J].Applied Optics,2017,5611:3142.DOI:10.1364/ao.56.003142.

[3]陈涛,孟凯,杨湛等.面向超分辨光学成像的浸没微球透镜控制[J].光学精密工程,2018,265:1104–1112.

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