CN108318448A - 基于双光束瞬态开孔形成小孔探针的超分辨光学成像方法 - Google Patents

Abstract

一种基于双光束瞬态开孔形成小孔探针的超分辨光学成像方法，在扫描显微镜成像系统当中，将镀相变材料薄膜的盖玻片紧靠在样品表面，然后将两束光同时聚焦穿过盖玻片照射到样品上，一束是高功率脉冲激发光，一束是低功率探测光。利用相变材料的非线性特性，当激发光作用在相变材料上，材料具有非线性饱和吸收特性时，则在材料中形成瞬态小孔，探测光通过以后有效半径减小，形成小于极限以下的小孔探针；材料具有非线性反饱和特性时，则利用未激发作用下的弱光信号去与激发作用下的信号进行差分，也能形成小于极限以下瞬态小孔探针，利用形成的小孔探针去逐点扫描成像，实现超分辨远场光学成像。

Description

基于双光束瞬态开孔形成小孔探针的超分辨光学成像方法

技术领域

本发明涉及光学成像方法，基于双光束瞬态开孔形成小孔探针的超分辨光学成像方法。

背景技术

随着社会不断发展，科学技术不断进步，用光学方法来实现纳米级无损伤成像已经成为各个领域迫切的需求。然而，由于光学系统存在极限，分辨率不能达到无限小，其存在一个极值，我们称此极值为“光学衍射极限”。1873年，德国科学家阿贝(Abbe)根据衍射理论首次推导出衍射分辨极限，后来瑞利(Rayleigh)将阿贝衍射理论归纳为一个公式：

其中r表示最小分辨距离，λ表示激光波长，NA表示系统的数值孔径大小，NA值的大小由系统所决定。所以在扫描光学显微系统中，如果想要减小扫描光斑的尺寸，根据公式(1)就能发现其具有两个途径，一是采用波长更短的激光光源来成像，二是采用数值孔径更高的系统来实现成像。然而，过于短的波长会对样品产生伤害，系统的数值孔径最大值也只是能接近1.5。

传统光学显微镜是宽场成像，即利用物像关系实时的将样品一部分的图像反应在成像面上。扫描显微技术采用的是点扫描模式，它是将一束平行光束经过物镜聚焦到样品上，形成一个衍射极限大小的光斑，然后逐点扫描，利用探测器逐点接收返回光路中的反射信号，最后将信号转换成一幅图像。所以如果可以将聚焦光斑进一步缩小到衍射极限以下，那么所获得的成像就能突破衍射极限。

相变材料存在非线性特性，表现为当不同强度的光透过相变材料时，其透过强度与入射强度不是线性变化，当材料具有饱和吸收特性时，其光强透过率随着强度的增加而增加，当材料具有反饱和特性时，其光强透过率随着强度的增加而减少。

激光基于产生的原理，其出射的光束在横截面上光的强度呈高斯分布，也就是说越靠近中心的光强越强，越远离中心的光强越弱，当激光光束在光学系统中缩小到衍射极限时，其横截面的光强分布还是呈高斯分布。这就提供一种可能，让一个短脉冲强光信号透过相变薄膜材料，当材料具有非线性饱和吸收特性时，短脉冲强光信号使照射区域材料中心透过率变高，而边上透过率变低，对于弱光检测信号，形成了一个瞬态“小孔”。弱光信号经过此“小孔”以后，由于中心透过率高，边上透过率低，弱光信号光斑有效半径变小，形成“瞬态小孔探针”；当材料具有非线性反饱和吸收特性时，短脉冲强光信号使照射区域材料中心透过率变低，而边上透过率变高，对于弱光检测信号，当通过此照射区域时，其光斑中心部分透过的比较少，而边上部分透过的比较多，此时将未强光激发下的弱光信号去减去此激发下的信号，就剩下中心部分的光信号，从而也形成一个“瞬态小孔探针”。

利用形成的“瞬态小孔探针”去对样品逐点进行扫描，最终实现超分辨光学成像。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于双光束瞬态开孔形成小孔探针的超分辨光学成像方法。在扫描显微镜成像系统当中，将镀相变材料薄膜的盖玻片紧靠在样品表面，然后将两束光同时聚焦穿过盖玻片照射到样品上，一束是高功率脉冲激发光，一束是低功率探测光。利用相变材料的非线性特性，当激发光作用在相变材料上，材料具有非线性饱和吸收特性时，则在材料中形成瞬态小孔，探测光通过以后有效半径减小，形成小于极限以下的小孔探针；材料具有非线性反饱和特性时，则利用未激发作用下的弱光信号去与这个激发作用下的信号进行差分，也能形成小于极限以下瞬态小孔探针，利用形成的小孔探针去逐点扫描成像，实现超分辨远场光学成像。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种基于双光束瞬态开孔形成小孔探针的超分辨光学成像方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

a)在盖玻片上用磁控溅射的方法镀上一层相变薄膜材料；

b)将所述的盖玻片紧贴于待测样品表面，且镀有相变薄膜材料的一面紧贴着待测样品表面；

c)将盖玻片和待测样品一起放置在成像样品移动台上；

d)利用一束光功率密度小于2×10⁹W/m²的探测光和一束同波长光功率密度大于2×10⁹W/m²，脉冲频率大于1Mhz的激发光同时穿过盖玻片，并照射在待测样品的同一区域；

e)将经盖玻片和待测样品的透射光通过滤波片,滤掉功率密度大于2×10⁹W/m²的激发光信号,只让功率密度小于2×10⁹W/m²的探测光信号通过；

f)采用点扫描的扫描显微镜系统，将两束光同时聚焦照射到待测样品上，逐点对待测样品进行扫描:

对于Sb和Sb₇₀Te₃₀相变薄膜材料，在405nm波长激光作用下它们具有非线性饱和吸收特性，则在激发光作用时收集探测光透过率信号1作为成像信号；

对于GeTe、Ge₂Sb₂Te₅、InSb和AgInSbTe相变薄膜材料，在405nm波长激光作用下它们具有非线性反饱和吸收特性，则在激发光作用时收集探测光透过率信号2和在激发光未作用时收集探测光透过率信号3，然后将探测光透过率信号3减去探测光透过率信号2作为成像信号；

g)利用探测光检测装置收集扫描区域所有成像信号，形成图像。

所述的步骤a)中的相变薄膜材料的厚度在10到100nm之间。

所述的步骤d)中的功率密度小于2×10⁹W/m²的探测光的波长为405nm到658nm之间。

所述的步骤d)中的功率密度大于2×10⁹W/m²，脉冲频率大于1Mhz的激发光的波长为405nm。

本发明的技术效果如下：

本发明在扫描显微镜系统中，利用Sb、GeTe、Ge₂Sb₂Te₅、Sb₇₀Te₃₀,InSb,AgInSbTe材料显著的非线性特性，用一束高功率短脉冲光，作用在材料表面衍射极限光斑区域，当材料具备非线性饱和吸收特性时，即形成一个瞬态小孔，让透过的弱光有效半径变小，从而形成瞬态小孔探针去扫描样品；当材料具备非线性反饱和吸收特性时，弱光透过以后中心减弱的较多，而两边减弱的较少，此时用未激发下的弱光信号去与这个激发下的信号进行差分，就能获得一个小于衍射极限的光斑信号，从而也形成瞬态小孔探针，实现超分辨远场光学成像。其优点是：

1)操作简单。

2)成本低廉。

3)成像效果显著，可实现远小于衍射极限的光斑点。

附图说明

图1是本发明盖玻片镀相变薄膜后放于样品表面示意图

图2是本发明双光束装置示意图

图3是本发明非线性饱和吸收相变材料瞬态响应图

图4是本发明探测光在激发光作用前后的变化情况图(非线性饱和吸收相变材料)，其中图a为探测光在激发光作用前的三维光强分布，图b为探测光在激发光作用后的三维光强分布，图c为探测光在激发光作用前后的二维截面光强分布

图5是本发明非线性反饱和吸收相变材料瞬态响应图

图6是本发明探测光在激发光作用前后的变化情况图(非线性反饱和吸收相变材料)，其中图a为探测光在激发光作用前的三维光强分布，图b为探测光在激发光作用后的三维光强分布，图c为图a与图b中探测光光强差分后的三维光强分布，图d为探测光在激发光作用前后和差分结果的二维截面光强分布

图中：1-盖玻片，2-相变薄膜材料，3-待测样品，4-激发光信号，5-探测光信号，6-合束光入射光，7-聚焦透镜，8-移动样品台，9-透射信号收集透镜，10-滤波片，11-探测光检测装置

具体实施方式

下面通过实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

实施例1：

一种基于双光束瞬态开孔形成小孔探针的超分辨光学成像方法，其步骤包括：

a)在盖玻片1上用磁控溅射的方法镀上一层相变薄膜材料2；

b)将上述镀完相变薄膜材料2的盖玻片1紧贴于待测样品3表面，且镀有薄膜的一面紧挨着样品；

c)将盖玻片1和样品3一起在成像样品移动台8上；

d)利用一束光功率密度小于2×10⁹W/m²的探测光5和一束同波长光功率密度大于2×10⁹W/m²，脉冲频率大于1Mhz的激发光4同时穿过盖玻片1，并照射样品3上同一区域；

e)将透过盖玻片1和样品3的光信号经过一个滤波片10,滤掉功率密度大于2×10⁹W/m²的激发光4信号,只让功率密度小于2×10⁹W/m²的探测光5信号通过；

f)采用点扫描的扫描显微镜系统，将两束光同时聚焦照射到样品3上，逐点对样品3进行扫描，对于Sb和Sb₇₀Te₃₀相变薄膜材料2，在405nm波长激光作用下它们具有非线性饱和吸收特性，则在激发光4作用时收集探测光5透过率信号1作为成像信号；

g)利用探测光检测装置收集扫描区域所有成像信号，形成图像。

盖玻片1镀非线性薄膜2后放于待测样品3表面如图1所示，采用Sb非线性薄膜材料2，厚度为50nm，镀于盖玻片1表面，并将镀膜面紧贴着待测样品3表面放置。然后将上述紧贴盖玻片1的样品3放入透射式扫描成像系统中，如图2所示。将一束波长为405nm，功率为5mw，频率为100Mhz,脉宽为10％的强光激发光4经过光束调制系统与一束波长为450nm，功率为0.5mw的弱光探测光5合束，形成合束光6，一同经过数值孔径为0.9的聚焦透镜9入射到待测样品3上。

将激发光和探测光同时聚焦到材料上，然后分别检测探测光的透射信号和反射信号变化情况(滤除激发光)，获得Sb非线性饱和吸收相变材料的瞬态响应图，如图3所示，可以看出当激发光作用时，探测光的透射信号增强，而反射信号减弱，相比于没有激发的状态时，中心透过率显著提高。

当激发光4没有进行作用(不发光)的时候，透过相变薄膜的探测光5光斑光强分布如图4(a)所示，当激发光4进行作用的时候，透过相变薄膜的探测光5光斑光强分布如图4(b)所示，因为Sb材料为饱和吸收材料，当有一束激发光4脉冲信号作用到材料上时，其材料照射区域会形成一个中心透过率高两边透过率低的分布，从而使探测光5经过此照射区域以后光斑中心部分透过率变高，使有效半径减小到衍射极限以下。图4(c)为图4(a)和图4(b)的截面对比情况，可以发现探测光在激发光作用后，其有效光斑半径明显减小，小于衍射极限，开孔形成瞬态小孔探针，接着逐点对样品进行扫描，最终实现超分辨成像。

实施例2：

一种基于双光束瞬态开孔形成小孔探针的超分辨光学成像方法，其步骤包括：

a)在盖玻片1上用磁控溅射的方法镀上一层相变薄膜材料2；

b)将上述镀完相变薄膜材料2的盖玻片1紧贴于待测样品3表面，且镀有薄膜的一面紧挨着样品；

c)将盖玻片1和样品3一起在成像样品移动台8上；

d)利用一束光功率密度小于2×10⁹W/m²的探测光5和一束同波长光功率密度大于2×10⁹W/m²，脉冲频率大于1Mhz的激发光4照射样品3上同一区域；

e)将透过盖玻片1和样品3的光信号经过一个滤波片10,滤掉功率密度大于2×10⁹W/m²的激发光4信号,只让功率密度小于2×10⁹W/m²的探测光5信号通过；

f)采用点扫描的扫描显微镜系统，将两束光同时聚焦照射到样品3上，逐点对样品3进行扫描，对于GeTe、Ge₂Sb₂Te₅、InSb和AgInSbTe相变薄膜材料2，在405nm波长激光作用下它们具有非线性反饱和吸收特性，则在激发光4作用时收集探测光5透过率信号2和在激发光4未作用时收集探测光5透过率信号3，然后将探测光5透过率信号3减去探测光5透过率信号2作为成像信号；

g)利用探测光检测装置收集扫描区域所有成像信号，形成图像。

盖玻片1镀非线性薄膜2后放于待测样品3表面如图1所示，采用InSb非线性薄膜材料2，厚度为50nm，镀于盖玻片1表面，并将镀膜面紧贴着待测样品3表面放置。然后将上述紧贴盖玻片1的样品3放入透射式扫描成像系统中，如图2所示。将一束波长为405nm，功率为5mw，频率为100Mhz,脉宽为10％的强光激发光4经过光束调制系统与一束波长为450nm，功率为0.5mw的弱光探测光5合束，形成合束光6，一同经过数值孔径为0.9的聚焦透镜9入射到待测样品3上。

将激发光和探测光同时聚焦到材料上，然后分别检测探测光的透射信号和反射信号变化情况(滤除激发光)，获得InSb非线性反饱和吸收相变材料的瞬态响应图，如图5所示，可以看出当激发光作用时，探测光的透射信号减弱，而反射信号增强，相比于没有激发的状态时，中心透过率显著降低。

当激发光4没有进行作用(不发光)的时候，透过相变薄膜的探测光5光斑光强分布如图6(a)所示，当激发光4进行作用的时候，透过相变薄膜的探测光5光斑光强分布如图6(b)所示，因为InSb材料为反饱和吸收材料，当有一束激发光4脉冲信号作用到材料上时，其材料照射区域会形成一个中心透过率低两边透过率高的分布，从而使探测光5经过此照射区域以后光斑中心部分透过率变低，图6(c)是将图6(a)减去图6(b)以后所获得的光斑强度分布图。图6(d)为图6(a)、图6(b)和图6(c)的截面对比情况，可以发现图6(c)中的光斑有效半径明显减小，小于衍射极限，形成瞬态小孔探针，接着逐点对样品进行扫描，形成超分辨成像。

Claims (4)

1.一种基于双光束瞬态开孔形成小孔探针的超分辨光学成像方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

a)在盖玻片上用磁控溅射的方法镀上一层相变薄膜材料；

b)将所述的盖玻片紧贴于待测样品表面，且镀有相变薄膜材料的一面紧贴着待测样品表面；

c)将盖玻片和待测样品一起放置在成像样品移动台上；

d)利用一束光功率密度小于2×10⁹W/m²的探测光和一束同波长光功率密度大于2×10⁹W/m²，脉冲频率大于1Mhz的激发光同时穿过盖玻片，并照射在待测样品的同一区域；

e)将经盖玻片和待测样品的透射光通过滤波片,滤掉功率密度大于2×10⁹W/m²的激发光信号,只让功率密度小于2×10⁹W/m²的探测光信号通过；

f)采用点扫描的扫描显微镜系统，将两束光同时聚焦照射到待测样品上，逐点对待测样品进行扫描:

对于Sb和Sb₇₀Te₃₀相变薄膜材料，在405nm波长激光作用下它们具有非线性饱和吸收特性，则在激发光作用时收集探测光透过率信号1作为成像信号；

对于GeTe、Ge₂Sb₂Te₅、InSb和AgInSbTe相变薄膜材料，在405nm波长激光作用下它们具有非线性反饱和吸收特性，则在激发光作用时收集探测光透过率信号2和在激发光未作用时收集探测光透过率信号3，然后将探测光透过率信号3减去探测光透过率信号2作为成像信号；

g)利用探测光检测装置收集扫描区域所有成像信号，形成图像。

2.根据权利要求1所述的一种基于双光束瞬态开孔形成小孔探针的超分辨光学成像方法，其特征在于，所述的步骤a)中的相变薄膜材料的厚度在10到100nm之间。

3.根据权利要求1所述的一种基于双光束瞬态开孔形成小孔探针的超分辨光学成像方法，其特征在于，所述的步骤d)中的功率密度小于2×10⁹W/m²的探测光的波长为405nm到658nm之间。

4.根据权利要求1所述的一种基于双光束瞬态开孔形成小孔探针的超分辨光学成像方法，其特征在于，所述的步骤d)中的功率密度大于2×10⁹W/m²的激发光，其脉冲频率大于1Mhz的激发光的波长为405nm。