CN107144951A - 一种基于半球微结构的超分辨显微装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于半球微结构的超分辨显微装置，包括激光器、第一偏振分束镜、第二偏振分束镜、第一反射镜、第二反射镜、半波片、上物镜、下物镜和探测器。所述的上物镜和下物镜之间设有用于聚焦光线的半球微结构和用于承载样品的样品台，所述半球微结构为对称结构，包括第一半球和第二半球，所述样品台位于第一半球和第二半球之间。本装置针对之前超分辨显微技术中存在的对光功率要求过高、系统结构复杂、搭建成本较高以及成像速度慢等问题，提出了一种基于半球微结构的超分辨显微装置，该装置利用了半球微结构的亚波长聚焦效应实现了超分辨显微技术。

Description

一种基于半球微结构的超分辨显微装置
技术领域
本发明涉及光学仪器领域、生物医学显微成像领域，具体为一种基于半球微结构的超分辨显微装置。
背景技术
目前在生物医药领域的研究对分辨率的要求越来越高，研究人员需要了解各种纳米尺度上的微小形态物质的三维结构信息。然而由于衍射极限的存在，光束在进行聚焦时所得到的聚焦光斑都在半波长以上，严重限制了生物医学光学纳米领域的科学研究和发展。为了解决上述问题，研究人员提出了超分辨显微技术，目前的超分辨显微技术中，研究热点大多集中于各类荧光显微技术方面，诸如受激发射损耗(STED：Stimulated EmissionDepletion Microscopy)荧光显微技术和单分子定位荧光显微镜(SMS：Single MoleculeSpectroscopy)等。
上述的显微技术，虽然可以实现超分辨成像，但是仍存在着不足之处。其中，STED系统中有激发光和损耗光两类光，在激发光斑和中空损耗光斑的叠加的区域，受到损耗的荧光粒子失去发射荧光光子的能量，而剩下的可发射荧光区被限制在小于衍射极限区域内。这种超分辨实现方式对光功率要求很高，易造成荧光分子的漂白，同时系统复杂，搭建成本高。而SMS显微镜需要通过对单分子逐渐点亮的方式事先超分辨，成像速度慢，并且后续数据处理工作量大，不能实时的成像。
发明内容
本发明针对之前超分辨显微技术中存在的对光功率要求过高、系统结构复杂、搭建成本较高以及成像速度慢等问题，提出了一种基于半球微结构的超分辨显微装置，该装置利用了半球微结构的亚波长聚焦效应实现了超分辨显微技术。
为了实现上述发明目的，本专利包含以下技术方案：
一种基于半球微结构的超分辨显微装置，包括激光器、第一偏振分束镜、第二偏振分束镜、第一反射镜、第二反射镜、半波片、上物镜、下物镜和探测器。所述的上物镜和下物镜之间设有用于聚焦光线的半球微结构和用于承载样品的样品台。所述半球微结构为对称结构，包括第一半球和第二半球，所述样品台位于第一半球和第二半球之间。
激光器发射的光束照射到第一偏振分束镜上，被第一偏振分束镜分为两束振动方向互相垂直的偏振分束，分别为第一偏振分束和第二偏振分束。其中，第一偏振分束穿过第一偏振分束镜后，其振动方向垂直于纸面，之后第一偏振分束沿原光束方向照射到第一反射镜上，被第一反射镜反射后，由上物镜聚焦在承载样品的样品台上表面附近；第二偏振分束被第一偏振分束镜反射后，其振动方向垂直于第二偏振分束的光束传播方向和第一偏振分束振动方向所构成的平面，而后第二偏振分束照射到第二反射镜上，被反射到第二偏振分束镜，接着第二偏振分束镜反射第二偏振分束，第二偏振分束经过半波片调制，振动方向被调制为垂直于纸面方向，接着第二偏振分束被下物镜聚焦在承载样品的样品台下表面。
所述振动方向为光束的电场振动方向。
第一偏振分束、第二偏振分束分别由上、下物镜聚焦在承载样品的样品台上、下表面附近，分别在各自聚焦位置形成光势阱捕获半球微结构中的第一半球和第二半球，使得两半球固定在上下物镜间的样品台的上下表面。同时，第一偏振分束、第二偏振分束通过上述光路后，会分别被第一半球和第二半球耦合，在第一半球和第二半球之间形成超分辨聚焦光斑，照射在样品台上的样品表面。样品的探测的光经过半波片后，被下物镜收集，穿过第二偏振分束镜被探测器探测，得到显示样品结构的光斑。在进行检测时，半球微结构和上、下物镜保持不动，通过移动样品台来实现扫描成像。
所述第一半球和第二半球的结构可以利用时域有限差分法(Finite-DifferenceTime-Domain，FDTD)进行计算和优化，实现超分辨聚焦光斑。
所述超分辨聚焦光斑，指聚焦光斑的半高宽的大小小于或等于激光器发射波长的二分之一。
所述半高宽是指光强强度为最大光强一半时，所对应的聚焦光斑的宽度。
作为优选，激光器所选用的激光波长为632nm。
作为优选，样品台和第一半球之间、样品台和第二半球之间可以添加纯水，提高能量利用率。
与现有技术相比，采用了上述技术方案的基于半球微结构的超分辨显微装置，具有如下有益效果：
1、本发明采用半球微结构，无需复杂的光路即可实现超分辨成像，结构简单，搭建方便。
2、本发明直接扫描即可得到样品的整体结构，无需后续数据处理，可实现所见即所得，操作简便。
附图说明
图1为本专利基于半球微结构的超分辨显微装置的具体实施方式的示意图；
其中：2、激光器；31、第一偏振分束镜；32、第二偏振分束镜；41、第一反射镜；42、第二反射镜；5、半波片；6、上物镜；7、下物镜；8、探测器。
图2为图1中A处的半球微结构的放大图；
其中：11、第一半球；12、第二半球；13、样品台。
图3为具体实施方式中，第一偏振分束、第二偏振分束经半球微结构耦合后的电场分布图。
具体实施方式
下面结合附图说明本专利，但本专利并不限于此。
如图1所示的是本专利基于半球微结构的超分辨显微装置示意图，包括激光器2、第一偏振分束镜31、第二偏振分束镜32、第一反射镜41、第二反射镜42、半波片5、上物镜6、下物镜7和探测器8。
其中，激光器选用百思佳特公司的xt71580型氦氖激光器，工作波长为632nm。
激光器2发射光束照射到第一偏振分束镜31上，被第一偏振分束镜31分为两束振动方向互相垂直的偏振分束，分别为第一偏振分束和第二偏振分束。
其中，第一偏振分束穿过第一偏振分束镜31后，其电场振动方向垂直于纸面，之后第一偏振分束沿原光束方向照射到第一反射镜41上，被第一反射镜41反射后，由上物镜6聚焦在承载样品的样品台13上表面附近；第二偏振分束被第一偏振分束镜31反射后，其电场振动方向垂直于第二偏振分束的光束传播方向和第一偏振分束振动方向所构成的平面，而后第二偏振分束照射到第二反射镜42上，被反射到第二偏振分束镜32，接着第二偏振分束镜32反射第二偏振分束，第二偏振分束经过半波片5调制，电场振动方向被调制为垂直于纸面方向，接着第二偏振分束镜被下物镜7聚焦在承载样品的样品台13下表面。
本实施例中，上物镜6、下物镜7可选用奥林巴斯公司的UPLSAP0100XS超级复消色差物镜，放大倍率100倍，数值孔径1.35。如图2为半球微结构示意图，半球微结构为对称结构，包括第一半球11和第二半球12，位于上物镜6和下物镜7之间。第一半球11和第二半球12之间设有用于承载样品的样品台13。第一偏振分束、第二偏振分束分别由上物镜6和下物镜7聚焦在承载样品的样品台13上、下表面附近后，分别在各自聚焦位置形成光势阱捕获半球微结构中的第一半球11和第二半球12，使得两半球固定在上物镜6和下物镜7间的样品的上下表面。
同时，第一偏振分束、第二偏振分束通过上述光路后，会分别被第一半球11和第二半球12耦合，本实施例中第一半球11、第二半球12的材料选取为SiO2，利用时域有限差分法(Finite-Difference Time-Domain，FDTD)计算并优化第一半球11和第二半球12的尺寸。经过计算，本实施例中第一半球11、第二半球12半径均为1um。
图3为本实施例中，第一偏振分束、第二偏振分束经半球微结构耦合后的电场分布图。第一半球11、第二半球12按图2位置摆放，水平向右为图3中X轴正方向，球心连线向上为图3中Y轴正方向。利用Origin软件对图3中数据进行分析，得到在上述仿真条件下半球微结构的聚焦光斑X轴方向的半高宽为295nm，小于激光器2波长的二分之一，达到超分辨聚焦效果，可在第一半球11和第二半球12之间形成超分辨聚焦光斑，照射在样品台13上的样品表面。样品的探测光经过半波片5后，被下物镜7收集，穿过第二偏振分束镜32被探测器8探测，得到显示样品结构的光斑。在进行检测时，由于激光光束聚焦位置形成光势阱的捕获，半球微结构中半球微结构和上、下物镜保持不动，通过移动样品台13来实现扫描成像。样品台13和第一半球11之间、样品台13和第二半球12之间添加纯水，提高能量利用率。
最后需要说明的是，以上实施方式仅用以说明本专利的技术方案而非限制，本领域的普通技术人员来说不脱离本专利原理的前提下，还可以做出若干变型和改进，这些也应视为本专利的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于微球结构的超分辨显微装置，包括激光器(2)、第一偏振分束镜(31)、第二偏振分束镜(32)、第一反射镜(41)、第二反射镜(42)、半波片(5)、上物镜(6)、下物镜(7)和探测器(8)，其特征在于：
所述的上物镜(6)和下物镜(7)之间设有用于聚焦光线的微球结构和用于承载样品的样品台(13)；所述微球结构为对称结构，包括第一半球(11)和第二半球(12)；所述样品台(13)位于第一半球(11)和第二半球(12)之间；
所述激光器发射的光束照射到第一偏振分束镜(31)上，被第一偏振分束镜(31)分为两束振动方向互相垂直的第一偏振分束和第二偏振分束；
所述第一偏振分束沿原光束方向照射到第一反射镜(41)上，经过第一反射镜(41)、上物镜(6)后，照射在第一半球(11)上；
所述第二偏振分束照射到第二反射镜(42)上，经过第二反射镜(42)、第二偏振分束镜(32)、半波片(5)、下物镜(7)后，照射在第二半球(12)上；
所述第一偏振分束和第二偏振分束分别被第一半球(11)和第二半球(12)耦合，在第一半球(11)和第二半球(12)之间形成超分辨聚焦光斑，照射在样品上得到探测光束；
所述探测光束经过半波片(5)、下物镜(7)、第二偏振分束镜(32)后，被探测器(8)探测。
2.根据权利要求1所述的基于微球结构的超分辨显微装置，其特征在于：所述激光器(2)所用激光波长为632nm。
3.根据权利要求1所述的基于微球结构的超分辨显微装置，其特征在于：样品台(13)和第一半球(11)之间、样品台(13)和第二半球(12)之间为纯水。
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