CN101907780A - 实现远场超分辨聚焦的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现远场超分辨聚焦的方法，具体为：将由激光器出射的入射光线调制为切向偏振光；对所述的切向偏振光进行0～2π涡旋位相编码；将经过0～2π涡旋位相编码后的切向偏振光进行远场超分辨聚焦，从而实现远场聚焦和横向超分辨，满足可见光超分辨聚焦特别是扫描共焦显微微的需求。本发明还公开了用于上述的实现远场超分辨聚焦的方法中的相应的装置。本发明方法简单，适用范围广，横向聚焦效果优于现有技术；本发明装置系统结构简单，成本低廉，具有普适性，尤其适合应用在精密或超精密微观观测测量设备特别是扫描共焦显微镜中。

Description

实现远场超分辨聚焦的方法和装置

技术领域

本发明属于微观观测测量领域，具体涉及一种实现远场超分辨聚焦的方法和装置。

背景技术

激光光束由于其具有良好的单色性、方向性及高亮度等优点，被广泛用于各种精密或超精密微观观测测量设备中，如数据存储设备、光刻设备、高精度测量设备、图像处理设备和共焦扫描显微镜等。为了实现观测测量设备高的分辨精度和稳定的工作状态，往往要求将激光光束在远场汇聚成尽量小的聚焦光斑。

为了满足上述技术要求，在数据存储和光刻等领域，往往采用短波长光线如深紫外光进行聚焦，该方法最大的缺陷在于紫外光线的不可见性，并且对于生物样品具有不可逆的损伤性，因此完全不适用于各种共焦扫描显微镜的使用。

Xiao Wang等人在题为《Subwavelength focusing by a micro/nanofiberarray》的文章中提出了利用微结构实现亚波长聚焦的方法，见J.Opt.Soc.Am.A的第26期第1827-1833页的记载，但是，由于该方法中聚焦焦距仅在微米量级，并且光路不具有可逆性，所以该方法在使用上也有很大的局限性。

进一步的研究表明，入射光的偏振态对于聚焦光斑的大小产生很大影响。一般常用的线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光形成的聚焦光斑半高全宽在0.4λ～0.6λ之间，因此，以上的入射光的几种偏振态均不能很好满足观测测量设备的技术要求。2003年，Dom等人在题为《Sharper focus for aradially polarized light beam》的文章中指出，通过实验证明，在光阑存在的情况下，低数值孔径(NA＝0.9)光路中的径向偏振光(Radically PolarizedBeam)可以在焦平面上形成0.16λ²(面积)的聚焦光斑，远好于一般线偏振光0.26λ²的聚焦能力，见Phy.Rev.Lett.的第91期第233901页的记载。但是，上述的采用径向偏振光的方法需要使用光阑对入射光束进行遮挡以形成环状光束，才能达到好的聚焦效果，这样严重影响了入射光的能量利用率，不利于该方法的应用推广。

基于衍射理论，使用位相板对入射光进行位相编码，最终实现远场超分辨聚焦，是另一种可行的办法。国内外学者在该方向上做了大量的研究。专利号为ZL00127615.8的中国专利公开了一种圆形0/π位相板的设计方法，通过这种互相交错的同心圆形位相板，可以实现大景深的轴向超分辨聚焦光斑；申请号为CN200610125212.8的中国专利申请公开的位相板设计方法可以有效压制旁瓣的强度，从而使聚焦光斑更加容易分辨。由于现有技术中上述的设计思路均是针对轴向聚焦光斑大小进行有效压缩，所以，在对于横向分辨率要求较高的情况如扫描共焦显微镜中，横向分辨率上提升有限，并不能完全满足超分辨的要求。

发明内容

本发明提供了一种实现远场超分辨聚焦的方法，从而实现远场聚焦和横向超分辨，满足可见光超分辨聚焦特别是扫描共焦显微镜的要求。

一种实现远场超分辨聚焦的方法，包括以下步骤：

(1)将由激光器出射的入射光线调制为切向偏振光；

(2)对所述的切向偏振光进行0～2π涡旋位相编码；所述的0～2π涡旋位相编码是指对于横截面中心对称的圆形入射光束，采用一个厚度沿角向逐渐增加，增加到一个光的波长量级时所对应的相位为2π的涡旋分布的0～2π位相板(Vortex 0～2πPhase Plate)，使该入射光束产生相对于初始相位的位相延迟，位相延迟的大小由光束圆形横截面内过特定点的半径与+X轴的夹角决定，取值范围在0～2π之间，与该点到圆心的距离无关；

(3)将经过0～2π涡旋位相编码后的切向偏振光进行远场超分辨聚焦。

其中，步骤(1)中所述的激光器发射的入射光线可以为波长在380～780nm范围内任意波长的可见光，优选为波长λ＝632.8nm的红光。所述的入射光线的出射光波面形状优选为贝塞尔-高斯波(Bessel-GaussianBeam)，也可以使用其它波面形状如均匀平面波、基本高斯波等。将所述的入射光线调制为所述的切向偏振光可采用现有技术来实现，如采用在X.L.Wang等人发表的题为《Generation of arbitrary vector beams with aspatial light modulator and a common path interferometric arrangement》的文章(见Opt.Lett.32，3549-3551)中所记载的由微结构光栅与干涉仪组成的空间光调制器(SLM：Spatial Light Modulator)即可实现。

其中，步骤(2)中进行0～2π涡旋位相编码优选采取将所述的切向偏振光通过一个涡旋分布的0～2π位相板(Vortex 0～2πPhase Plate)来实现。

其中，步骤(3)中进行远场超分辨聚焦可以采取将经过0～2π涡旋位相编码后的切向偏振光通过用于透射聚焦的透镜来实现，也可以采取将经过0～2π涡旋位相编码后的切向偏振光通过用于反射聚焦的抛物面反射镜来实现，优选采取将经过位相编码后的切向偏振光通过高数值孔径的消复色差透镜实现。所述的高数值孔径NA＝1～1.4，优选为NA＝1.4。

优选的技术方案中，在不需要考虑入射光能量利用率的前提下，可在步骤(2)之前对所述的切向偏振光进行中心遮挡滤光形成环状光束，也可在步骤(3)之前对所述的经过0～2π涡旋位相编码后的切向偏振光进行中心遮挡滤光形成环状光束，以进一步提高聚焦效果。所述的中心遮挡滤光可使用光阑来实现。

本发明的工作原理是：

基于干涉相消原理，直接将切向偏振光(Azimuthally Polarized Beam)通过透镜进行汇聚时，会在焦点位置处产生一个中空的面包圈状汇聚光斑，因此，通常认为切向偏振光并不适合于作为远场超分辨聚焦的入射光使用。但是，本发明中，使用涡旋分布的0～2π位相板(Vortex 0～2πPhasePlate)对切向偏振光进行0～2π涡旋位相编码，打破了切向偏振光原有的干涉场，汇聚光斑不产生中空现象；同时，还利用切向偏振光不同于其它基本偏振光(如线偏振、圆偏振、径向偏振等)的特性，即切向偏振光在经过透镜折射后电场不存在轴向分量，大大提高系统的聚焦效果。因此本发明采用切向偏振光作为入射光，通过一个涡旋分布的0～2π位相板(Vortex 0～2πPhase Plate)对入射光进行0～2π涡旋位相编码，使光束截面内对应位置的光线产生相对应初始入射相位0～2π的相位延迟；经过0～2π涡旋位相编码后的入射光通过一个高数值孔径(Numerical Aperture)的消复色差透镜(Aplantic Lens)后，根据衍射理论和干涉相消原理，在透镜焦平面上产生小于衍射极限(衍射极限通常为λ/(2NA))的聚焦光斑，即远场超分辨聚焦。并且，焦平面内的聚焦光斑大小还可以通过使用环状光束入射的方式进一步压缩。

采用本发明的实现远场超分辨聚焦的方法，横向聚焦效果远好于目前已知的其它基于可见光波长的聚焦手段，在高数值孔径条件(NA＝1.4)下，使用内外径比为0.92的环状光束照明时，可以实现半高全宽为0.267λ(面积为0.056λ²)的聚焦光斑；在相对较低数值孔径条件(NA＝0.9)下，使用内外径比为0.92的环状光束照明时，可以实现半高全宽为0.432λ(面积为0.147λ²)的聚焦光斑，即使是相对于目前文献记载的最好效果(径向偏振光实现的面积为0.16λ²的聚焦光斑)，仍然有所提高。同时，本发明的方法无需使用光阑(形成环状光束)也可达到很好的效果，从而克服了径向偏振光在实现最佳效果时入射光能量利用率低的缺陷。

本发明还提供了一种用于所述的实现远场超分辨聚焦的方法的装置，包括：

用于产生入射光的激光器；

用于将激光器产生的入射光调制为切向偏振光的空间光调制器；

用于对切向偏振光进行0～2π涡旋位相编码的光束整形元件；

用于对经过0～2π涡旋位相编码后的切向偏振光进行远场超分辨聚焦的聚焦器件。

优选的技术方案中，所述的激光器、空间光调制器、光束整形元件和聚焦器件位于同轴光路上。

优选的技术方案中，所述的用于实现本发明的远场超分辨聚焦的方法的装置，还包括用于对切向偏振光或0～2π涡旋位相编码后的切向偏振光进行中心遮挡滤光形成环状光束的光阑。

其中，所述的激光器为能发射波长为380～780nm内任意波长的可见光的激光器，优选为发射波长为λ＝632.8nm的红光的激光器。

其中，所述的空间光调制器优选为由微结构光栅与干涉仪组成的空间光调制器，也可通过现有技术中其它装置来实现相同功能。

其中，所述的光束整形元件优选为涡旋分布的0～2π位相板(Vortex0～2πPhase Plate)，其厚度沿角向逐渐增加到一个光的波长量级所对应的相位为2π。所述的涡旋分布的0～π位相板(Vortex 0～2πPhase Plate)，对入射光的位相延迟量Δα由如下公式决定：

式中，

为位相板平面上位置极坐标矢量与x轴的夹角。

其中，所述的聚焦器件可以为用于透射聚焦的透镜，也可以为用于反射聚焦的抛物面反射镜，由于抛物面反射镜架设不便，在某些情况下使用存在局限性，相对来说，透镜更具有普适性。本发明优选采用高数值孔径的消复色差透镜，所述的高数值孔径NA＝1～1.4，优选为NA＝1.4；在其他条件完全相同的条件下，高数值孔径的聚焦系统可以得到更小的聚焦光斑。当优选使用NA＝1.4的100×消色差显微物镜时，在物镜的像方(物镜聚焦光斑一侧)使用折射率n＝1.518的浸没油，以保证达到要求的数值孔径大小。

本发明基于衍射理论，采用切向偏振光(Azimuthally Polarized Beam)作为入射光，通过一个涡旋分布的0～2π位相板(Vortex 0～2πPhase Plate)对入射光进行0～2π涡旋位相编码，经过0～2π涡旋位相编码后的入射光通过一个高数值孔径(Numerical Aperture)的消复色差透镜(Aplantic Lens)再最终在远场实现超分辨聚焦。焦平面内的聚焦光斑大小还可以通过使用环状光束入射的方式进一步压缩。因此，相对于现有技术，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明的实现远场超分辨聚焦的方法简单，易于操作；适用范围广，对于高低数值孔径及各种不同波长的入射光波，具有普适性；采用该方法的横向聚焦效果远好于目前已知的其它基于可见光波长的聚焦手段，实现远场聚焦和横向超分辨，满足可见光超分辨聚焦特别是扫描共焦显微镜的需求，克服了现有技术在横向超分辨激光聚焦技术方面的不足。

本发明的用于实现远场超分辨聚焦的方法中的装置，整体系统结构简单，成本低廉；适用范围广，对于高低数值孔径及各种不同波长的入射光波，在不改变主体结构的前提下，具有普适性；采用该装置时的横向聚焦效果远好于目前已知的其它基于可见光波长的聚焦装置，该装置具有实现远场聚焦和横向超分辨能力，尤其适合应用在要求可见光超分辨聚焦的精密或超精密微观观测测量设备特别是扫描共焦显微镜中。

附图说明

图1为实现本发明方法的装置的一种实施方式的结构原理图；

图2为本发明中切向偏振光的示意图；

图3为本发明中涡旋分布的0～2π位相板的示意图；其中，a为涡旋分布的0～2π位相板的横向示意图，b为涡旋分布的0～2π位相板的立体示意图；

图4为将如图1所示的装置应用于本发明的方法中的聚光光斑大小与现有技术中采用其它偏振态偏振光时的光斑大小的对比结果图；

图5为应用环形入射光束时本发明装置的另一种实施方式的结构原理图；

图6为将如图5所示的装置应用于本发明的方法中的聚光光斑大小与现有技术中其它偏振态偏振光时光斑大小的对比结果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例来详细说明本发明，但本发明并不仅限于此。

图1所示为本发明实现远场超分辨聚焦的装置的一种实施方式的结构示意图。

如图1所示，一种实现远场超分辨聚焦的装置，包括：激光器1、空间光调制器2、涡旋分布的0～2π位相板3和消复色差透镜4。所述的激光器1、空间光调制器2、涡旋分布的0～2π位相板3和消复色差透镜4位于同轴光路上。其中，涡旋分布的0～2π位相板4为美国RPC photonics公司的涡旋位相板(Vortex 0～2πPhase Plate)VPP-1A。

由激光器1发出的光束R，将依次通过空间光调制器2、涡旋分布的0～2π位相板3和消复色差透镜4，并最终在光轴(Z轴)上形成聚焦光斑，聚焦光斑在Z轴上的位置由消复色差透镜的焦距f确定。

光束R为波长λ＝632.8nm的红色线偏振光，出射光波面形状为贝塞尔-高斯波(Bessel-Gaussian Beam)，此时，光束强度分布可以写为：

$A_1=\exp [-{\mathrm{\β}}_0^2{\left(\frac{r}{r_{\max }}\right)}^2]J_1\left(2{\mathrm{\β}}_0\frac{r}{r_{\max }}\right)$

其中，r_max为光束R半宽，r为光束R垂直Z轴剖面内任意一点与光轴(Z轴)的距离，β₀为比例参数，当β₀＝0.5时，光强峰值正好落在光束R的边缘位置上。

将光束R通过空间光调制器2调制为切向偏振光，切向偏振光的特点如图2所示，每点的偏振方向都是沿着切线方向，所有点的偏振方向构成一个涡旋。通过调制器后的切向偏振光内特定点的光偏振方向可由以下单位矩阵表示：

式中，

为光束R垂直Z轴剖面内位置极坐标矢量与x轴的夹角。根据X.L.Wang等在《Generation of arbitrary vector beams with a spatial lightmodulator and a common path interferometric arrangement》的文献(Opt.Lett.32，3549-3551)中的记载，空间光调制器2由微结构光栅与干涉仪组成。

经过空间光调制器2调制的光束R将继续通过涡旋分布的0～2π位相板3进行0～2π涡旋位相编码。位相板的主要原理是使通过它的光束在不同位置产生不同的相位延迟以达到相位编码的目的。如图3所示是涡旋分布的0～2π位相板3的横向示意图和立体示意图。涡旋分布的0～2π位相板3对入射光的位相延迟量Δα由如下公式决定：

式中，

为位相板平面上位置极坐标矢量与x轴的夹角。

经过涡旋分布的0～2π位相板3进行0～2π涡旋位相编码后的光束R最终将经过消复色差透镜4，并在消复色差透镜4的像方焦平面上形成超分辨聚焦光斑。此处消复色差透镜4采用NA＝1.4的100×(100倍放大)消色差显微物镜，并且在物镜的像方(物镜聚焦光斑一侧)使用折射率n＝1.518的浸没油，可以达到更好的聚焦效果。由于绝大部分100×消色差显微物镜的焦距f都在几百微米量级，因此完全可以认为为远场聚焦效应。在这种情况下，经过涡旋分布的0～2π位相板3进行0～2π涡旋位相编码后的光束R将在消复色差透镜4的像方焦平面上形成以几何光学理想焦点为中心的聚焦光斑。聚焦光斑附近的光束电场分布可以由如下公式计算得到：

式中，是以理想焦点位置为原点的柱坐标系，C为归一化常数，A₁为光束R光强分布参数，A₂为消复色差透镜R结构参数。Δα为位相延迟量，

为位相板平面上位置极坐标矢量与x轴的夹角，i为虚数单位，k＝2π/λ，n为介质折射率，θ为消复色差透镜后的聚焦光线与光轴的夹角。采用上述公式计算得到焦平面上的光斑的大小。

采用如图1所示的装置，在上述条件(数值孔径NA＝1.4，像方折射率n＝1.518)下，使用上述的方法得到的光斑光强径向分布示意图如图4中编码切向偏振光所对应的实线所示，根据图4计算得到光斑半高全宽为0.323λ(面积0.082λ²)。与图4中在相同条件下使用其他偏振光(圆偏振光、线偏振光和径向偏振光)得到的聚焦光斑大小相比，光斑大小的顺序由小到大为：编码切向偏振光、圆偏振光、径向偏振光、线偏振光，可见本发明得到的聚焦光斑的大小远小于现有技术中其他手段得到的聚焦光斑的大小。

图5所示为本发明实现远场超分辨聚焦的装置的另一种实施方式的结构示意图。

如图5所示，一种实现远场超分辨聚焦的装置，包括：激光器1、空间光调制器2、环形光阑5、涡旋分布的0～2π位相板3和消复色差透镜4。所述的激光器1、空间光调制器2、环形光阑5、涡旋分布的0～2π位相板3和消复色差透镜4位于同轴光路上。其中，涡旋分布的0～2π位相板4为美国RPC photonics公司的涡旋位相板(Vortex 0～2πPhase Plate)VPP-1A。

与图1所示的实施方式有所不同的是，在空间光调制器2和消复色差透镜4之间插入了环形光阑5对光束R进行遮挡以形成中空的环状光束。

环形光阑5的外径与光束R的半径r_max相等，环形光阑5的内径r_in由如下公式确定：

r_in＝ξr_max

式中ξ为比例参数。远场聚焦光斑的大小随着ξ的增加而减小。

使用环形光阑5对入射光束进行遮挡可以形成环状光束，进一步提高光斑的聚焦能力，从而进一步提高分辨能力。当ξ＝0.92时，可以实现半高全宽为0.267λ(面积为0.056λ²)的聚焦光斑。相对而言，目前公认的较好的直接使用径向偏振光的方式，仅能实现面积为0.16λ²的聚焦光斑，而使用线偏振光，聚焦光斑的面积会高达0.26λ²。

采用如图5所示的装置，在上述条件(数值孔径NA＝1.4，像方折射率n＝1.518)下，使用上述的方法得到的光斑光强径向分布示意图如图6中编码切向偏振光所对应的实线所示，由图6计算得到光斑的半高全宽为0.267λ(面积为0.056λ²)，明显小于图6中在相同条件下使用径向偏振光得到的聚焦光斑大小(面积为0.16λ²)。图6示出了将上述装置应用于本发明的方法中的聚光光斑大小与现有技术中其它偏振态偏振光时光斑大小的对比结果图。

如图5所示的装置具有广泛的适应性，可以在不改变主体结构的前提下完全适用于高低数值孔径及各种不同波长的入射光波。即使在相对较低的低数值孔径条件(NA＝0.9)下，使用内外径比为0.92的环状光束照明时，也可以实现半高全宽为0.432λ(面积为0.147λ²)的聚焦光斑。因此，在不考虑入射光能量利用率的前提下，可以广泛使用该装置来实现远场超分辨聚焦。

此外，环形光阑5与涡旋分布的0～2π位相板3的位置可以互换，并不影响最终的结果即聚焦光斑的大小。

以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形，本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种实现远场超分辨聚焦的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将由激光器出射的入射光线调制为切向偏振光；

(2)对所述的切向偏振光进行0～2π涡旋位相编码；

(3)将经过0～2π涡旋位相编码后的切向偏振光进行远场超分辨聚焦。

2.如权利要求1所述的实现远场超分辨聚焦的方法，其特征在于，在步骤(2)之前对所述的切向偏振光进行中心遮挡滤光形成环状光束；或者在步骤(3)之前对所述的经过0～2π涡旋位相编码后的切向偏振光进行中心遮挡滤光形成环状光束。

3.如权利要求1或2所述的实现远场超分辨聚焦的方法，其特征在于，步骤(1)中所述的激光器发射的入射光线为波长在380～780nm范围内的可见光。

4.如权利要求1或2所述的实现远场超分辨聚焦的方法，其特征在于，步骤(2)中进行0～2π涡旋位相编码采取将所述的切向偏振光通过一个涡旋分布的0～2π位相板来实现。

5.如权利要求1或2所述的实现远场超分辨聚焦的方法，其特征在于，步骤(3)中进行远场超分辨聚焦采取将经过0～2π涡旋位相编码后的切向偏振光通过高数值孔径的消复色差透镜实现，所述的高数值孔径NA＝1～1.4。

6.一种用于如权利要求1～5任一所述的实现远场超分辨聚焦的方法中的装置，其特征在于，包括：

用于产生入射光的激光器；

用于将激光器产生的入射光调制为切向偏振光的空间光调制器；

用于对切向偏振光进行0～2π涡旋位相编码的光束整形元件；

用于对经过0～2π涡旋位相编码后的切向偏振光进行远场超分辨聚焦的聚焦器件。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，还包括：用于对切向偏振光或0～2π涡旋位相编码后的切向偏振光进行中心遮挡滤光形成环状光束的光阑。

8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述的空间光调制器由微结构光栅与干涉仪组成。

9.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述的光束整形元件为涡旋分布的0～2π位相板。

10.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述的聚焦器件为高数值孔径的消复色差透镜，所述的高数值孔径NA＝1～1.4。

Images