[发明专利]一种超短波长倏逝波生成器及其光学移频超分辨成像装置

说明书

一种超短波长倏逝波生成器及其光学移频超分辨成像装置，倏逝波生成器包括基底和微纳结构；装置包括：用于产生波前为平面的非偏振单色可见光的平面光源，用于产生具有全波矢方向的超短波长倏逝波的倏逝波生成器，用于将产生的超短波长倏逝波散射为传播波的成像样品，用于接收传播波的显微物镜和筒镜，用于成像的CCD；当入射光垂直照射该倏逝波生成器后，其表面生成的倏逝波可用作照明光源，样品被倏逝波照明后，其散射光被远场的显微物镜所接收，形成空间频率发生移动的超分辨图像，进一步提升系统成像分辨率，并解决光学移频超分辨成像技术中需要多方向成像、多帧图像后处理的问题，具有结构简单，操作方便和节约成本的特点。

技术领域

本发明属于光学成像技术领域，具体涉及一种超短波长倏逝波生成器及其光学移频超分辨成像装置。

背景技术

由于衍射极限的存在，光学显微镜的成像分辨率很难突破半波长的限制。例如，使用波长为400nm的可见光照明，其成像分辨率极限约为200nm。在众多超分辨成像技术中，荧光显微镜利用对荧光分子的控制，实现了纳米级的成像分辨率，极大地推动了生物、医学等领域的发展进步。然而在非荧光领域，光学超分辨显微成像技术手段较为有限，且成像分辨率也很难达到50nm以下。

在非荧光超分辨成像技术中，光学移频成像技术是一种极具潜力的成像手段。其极限成像分辨率取决于近场照明的倏逝波的波长，因此只要能够产生波长足够短的倏逝波，其成像分辨率即可进一步提升。然而，利用棱镜全反射技术产生倏逝波时，其最短波长取决于棱镜的折射率(中国专利公布号：CN103048272A)。而自然界中，很难找到在可见光波段折射率大于2.5的材料，因此该方案的极限成像分辨率受到光学材料的限制。另外一种产生倏逝波的方法，就是利用亚波长微纳结构的表面所产生的倏逝波，如亚波长光栅结构(中国专利公布号：CN103353675A)，其表面产生的倏逝波波矢方向为垂直光栅槽型方向，即单一方向的倏逝波。此外，光学移频超分辨成像时，其分辨率具有方向差异性，即在倏逝波波矢方向上具有超分辨成像的特性，而在与倏逝波波矢垂直的方向上，成像分辨率并没有提升。因此，在现有的基于棱镜全反射的光学移频超分辨成像技术中，所产生的倏逝波具有单一的波矢方向，即只有一个特定方向可实现超分辨成像。为实现全方位的超分辨成像，通常要旋转样品的方向，得到各个方向的超分辨成像图像，最后利用图像后处理技术，将所有方向的超分辨图像进行合成，从而获得全方向的超分辨图像。该方案中繁琐的图像后处理，限制了其在动态高速成像中的应用。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种超短波长倏逝波生成器及其光学移频超分辨成像装置，超短波长倏逝波生成器利用特殊的微纳结构，能够生成超短波长的倏逝波，并且采用旋转对称结构，实现了同时具有各个方向矢量的倏逝波，将该倏逝波生成器用于光学移频超分辨成像系统，可进一步提升系统的成像分辨率，并简化原有技术中的多方向成像和图像后处理，极大提升该技术的成像效率。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种超短波长倏逝波生成器，包括基底1和其表面的微纳结构，所述微纳结构是由一组等间距同心圆环2构成的亚波长微纳结构。

所述基底1和微纳结构均为透明的电介质材料。

所述微纳结构中的相邻圆环2的间隔周期小于入射光波长。

所述微纳结构的刻蚀深度为百纳米量级。

所述圆环2的亚波长的同心结构可通过光刻、离子束刻蚀、激光直写或者纳米压印中任意一种方式蚀刻在基底表面。

一种基于上述超短波长倏逝波生成器构成的光学移频超分辨成像装置，依次布置包括：

用于产生波前为平面的非偏振单色可见光的平面光源3；

用于产生具有全波矢方向的超短波长倏逝波的倏逝波生成器；

用于将产生的超短波长倏逝波散射为传播波的成像样品4；