CN108918475A - 基于径向偏振光照明反射式共焦收集谐波显微成像方法 - Google Patents

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刘俭
吴必伟
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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited

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Abstract

基于径向偏振光照明反射式共焦收集谐波显微成像方法属于非线性光学测量领域。飞秒激光器发出的脉冲激光先经过准直系统进行准直，再通过偏振态转换器变为径向偏振光后由大数值孔径物镜聚焦于椭球面反射镜远焦点后，由椭球面反射镜反射聚焦于成像样品处，样品放置于椭球面反射镜近焦点。由非线性光学效应可激发出谐波信号，所激发出的谐波信号由另一个大数值孔径物镜收集，经过窄带滤光片滤除非所需波长光后由成像物镜将谐波信号成像于探测器的探测面，实现谐波显微测量。所用的谐波收集模块采用共焦收集模式。共焦针孔的切趾作用可以有效的抑制混叠信号噪声对谐波信号解析的干扰，大大提高显微系统的测量分辨力。

Description

基于径向偏振光照明反射式共焦收集谐波显微成像方法
技术领域
本发明属于光学显微测量领域，主要涉及一种用于纳米器件和生物样品中三维微细结构测量的超精密非接触测量方法。
背景技术
利用样品自身的非线性光学效应，例如二次谐波生成，三次谐波生成，可进行生物样品无荧光标记的显微成像，纳米器件的微结构探测，疾病机理的诊断等。径向偏振光在聚焦的焦面处有强轴向偏振分量，是谐波生成的一种理想照明光模式。但是在谐波显微成像过程中，混叠信号噪声会对谐波信号的解析产生干扰，从而降低显微系统的测量分辨力。
谐波显微成像基于所收集的谐波散射信号，特征信息的尺度在衍射极限之下。传统显微方法收集到的光信息包含更多的是散射特性，而非样品自身特性。采用共焦收集方式，受散射特性影响较小，收集到的谐波信号更能反映样品自身的结构特性。
发明内容
本发明设计了一种基于径向偏振光照明反射式共焦收集谐波显微成像方法，共焦针孔的切趾作用可以有效的抑制混叠信号噪声对谐波信号解析的干扰，大大提高显微系统的测量分辨力，同时使收集到的谐波信号受散射特性影响较小，更好地反映样品自身的结构特性。
本发明的目的是这样实现的：
基于径向偏振光照明反射式共焦收集谐波显微成像方法，其理论基础为沃尔夫衍射积分理论。通过建立径向偏振光照明下的椭球反射镜后焦点附近电场的三维矢量模型，根据样品的非线性极化率张量矩阵，可以计算出所激发出的谐波极化场强度分布。结合共焦收集模式矢量表达式，探测器收集到谐波信号场可以计算得到。飞秒激光器发出的脉冲激光先经过准直系统进行准直，再通过偏振态转换器变为径向偏振光后由大数值孔径物镜聚焦于椭球面反射镜远焦点后，由椭球面反射镜反射聚焦于成像样品处，样品放置于椭球面反射镜近焦点。由非线性光学效应可激发出谐波信号，所激发出的谐波信号由另一个大数值孔径物镜收集，经过窄带滤光片滤除非所需波长光后由成像物镜将谐波信号成像于探测器的探测面，实现谐波显微测量。所述的谐波显微成像方法其特征在于将径向偏振光照明、反射式聚焦结构与共焦收集系统结合用于谐波显微成像。
上述的基于径向偏振光照明反射式共焦收集谐波显微成像方法，其特征在于采用共焦收集模块对谐波信号进行收集。
上述的基于径向偏振光照明反射式共焦收集谐波显微成像方法，其特征在于所述的共焦收集模块采用共焦针孔对谐波信号进行切趾。
由于本发明的谐波显微成像方法中，采用共焦针孔收集，共焦针孔的切趾作用可以有效的抑制混叠信号噪声对谐波信号解析的干扰，大大提高显微系统的测量分辨力。
附图说明
图1是基于径向偏振光照明反射式共焦收集谐波显微成像方法示意图。
图2是基于径向偏振光照明反射式共焦收集谐波显微成像方法反射式照明模块矢量模型坐标定义图。
图3是基于径向偏振光照明反射式共焦收集谐波显微成像方法共焦收集模块矢量模型坐标定义图。
图4是共焦收集方式和传统显微方式下探测面的胶原样品二次谐波信号横向强度分布对比图。
图5是共焦收集方式和传统显微方式下探测面的胶原样品二次谐波信号轴向强度分布对比图。
图1中：1飞秒激光器、2准直扩束器、3起偏器、4径向偏振光转换器5大数值孔径物镜、6椭球反射镜、7载物台、8样品、9收集物镜、10窄带滤光片、11成像物镜、12共焦针孔、13探测器。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施实例进行详细的描述。
本实施例的基于径向偏振光照明反射式共焦收集谐波显微成像方法示意图如图1所示。飞秒激光器发出的脉冲激光先经过准直系统进行准直，再通过偏振态转换器变为径向偏振光后由大数值孔径物镜聚焦于椭球面反射镜远焦点后，由椭球面反射镜反射聚焦于成像样品处，样品放置于椭球面反射镜近焦点。由非线性光学效应可激发出谐波信号，所激发出的谐波信号由另一个大数值孔径物镜收集，经过窄带滤光片滤除非所需波长光后由成像物镜将谐波信号成像于探测器的探测面，实现谐波显微测量。
本实施例中，基于径向偏振光照明反射式共焦收集谐波显微成像方法矢量模型坐标定义图如图2、图3所示。图2为反射式照明模块矢量模型，图3为共焦收集模块矢量模型。
径向偏振光经过大数值孔径物镜5会聚到椭球面反射镜6的一个焦点F1，然后被椭球反射镜6反射、会聚到另一个焦点F2。光束的对称轴为z轴，φ为子午平面相对于x轴的方位角，α为透镜的汇聚角，θ为椭球面反射镜的汇聚角。
基于沃尔夫衍射积分理论，可以得到F2附近的的电场分布，包括轴向偏振分量和径向偏振分量:
其中，A＝k·f(a+c)/[2(a-c)]，k＝2π/λ，λ为入射光波长，f为大数值孔径物镜的焦距。ρs，zs分别为聚焦区域的横向坐标和轴向坐标，α＝artan[(t-2c)·tanθ/t]，为消球差透镜的汇聚角，t＝[a2c·tan2θ+ab2(1+tan2θ)]/(a2tan2θ+b2)+c，t为M和F1之间沿着光轴方向的距离。l0(α)为透镜光瞳处的幅值分布函数，θ为椭球面反射镜的汇聚角，θmax为环形孔径照明下汇聚角的最大值，与椭球面反射镜的数值孔径有关，θmax＝arcsin(NA/n)，NA为椭球面反射镜的数值孔径。Jn(·)为第一类n阶贝塞尔函数。
激发出的二次谐波可以表示为：
收集物镜后的谐波场E2为
传统显微模式下，探测面上的谐波信号强度为
Iconv(v,φs)＝{|Px|2+|Py|2}·{f0(α2)+f2(α2)}+4|Px|2f1(α2)
其中
共焦收集模式下，探测面上的谐波信号强度为
Econf(v,φs)＝{Px[I0(v,α2)+I2(v,α2)cos2φs]+Py·I2(v,α2)sin2φs+2jPzI1(v,α2)cosφs}i+{Px·I2(v,α2)sin2φs+Py[I0(v,α2)-I2(v,α2)cos2φs]+2jPzI1(v,α2)sinφs}j
Iconf(v,φs)＝|Econf(v,φs)|2
其中α2为收集角。
本实施例中，共焦收集方式和传统显微方式下探测面的胶原样品二次谐波信号强度分布对比图如图4、图5所示，图4为横向强度分布，图5为轴向强度分布，其中系统的照明角和收集角均设为90°。共焦收集下谐波信号横向强度分布半高宽大约为传统收集方式下的64％，轴向强度分布半高宽大约为传统收集方式下的81％。可以看出，在共焦收集条件下，谐波显微成像的横向分辨率和轴向分辨率均有大幅度提高。

Claims (3)

1.一种基于径向偏振光照明反射式共焦收集谐波显微成像方法，其实现方式为：飞秒激光器发出的脉冲激光先经过准直系统进行准直，再通过偏振态转换器变为径向偏振光后由大数值孔径物镜聚焦于椭球面反射镜远焦点后，由椭球面反射镜反射聚焦于成像样品处，样品放置于椭球面反射镜近焦点；由非线性光学效应可激发出谐波信号，所激发出的谐波信号由另一个大数值孔径物镜收集，经过窄带滤光片滤除非所需波长光后由成像物镜将谐波信号成像于探测器的探测面，实现谐波显微测量；其特征在于将径向偏振光照明、反射式聚焦结构与共焦收集系统结合用于谐波显微成像。
2.根据权利要求书1所述的基于径向偏振光照明反射式共焦收集谐波显微成像方法，其特征在于采用共焦收集模块进行谐波信号的收集。
3.根据权利要求书1所述的基于径向偏振光照明反射式共焦收集谐波显微成像方法，其特征在于所述的共焦收集模块采用共焦针孔对谐波信号进行切趾。
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