CN109507765A - 超透镜微结构的生成方法、基于超透镜的微型双光子显微系统 - Google Patents

超透镜微结构的生成方法、基于超透镜的微型双光子显微系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种超透镜微结构的生成方法，包括步骤生成相位图谱、计算相位分布、生成微结构。本发明还涉及基于超透镜的微型双光子显微系统；本发明将超表面透镜引入到双光子显微领域，实现全视场下中等数值孔径聚焦的同时，显微镜结构得到极大简化，整体装备重量大大降低，能够做到更轻负重动物实验，提升在体双光子显微实验数据可靠性，这也给微型双光子，特别是在体显微成像带来了较高的科学价值：背负式微型显微系统对观察对象(比如小鼠)的影响进一步降低；整个系统从仿真设计到加工再到实验，将超表面透镜引入双光子显微成像系统领域，并将为活体动物的脑成像提供新一代的成像设备，促进脑与神经科学研究的进展。

Description

超透镜微结构的生成方法、基于超透镜的微型双光子显微 系统
技术领域
本发明属于在体可视化脑科学研究技术领域，是一种用于活细胞深层成像的超透镜微结构的生成方法及基于超透镜的微型双光子显微系统。
背景技术
在体可视化脑科学研究是国内外生命科学研究的前沿领域。为实现神经元水平的分辨，需要微光学、微机电和生物标记等多方面尖端技术的协同运用。双光子荧光显微技术作为活细胞深层成像的有效手段，在实验室被微型化到头戴尺寸并应用于小鼠全脑神经元成像。微型双光子显微镜常用梯度折射率透镜或多片式微物镜对样品进行扫描成像。然而随着在体实验对在体双光子显微镜要求的不断提高，这两种方案都存在的技术问题为：无法同时兼顾成像视场和分辨率的情况下进一步降低显微镜整装重量。以梯度折射率方案为例，不超过5cm3的整体外形尺寸和轴外视场畸变极大地影响了在体实验的展开。双光子在体显微镜的进一步微型化需要更新的成像技术特别是微型物镜的实现。近几年发展起来的光场相位调控超表面(以下简称超表面)实现的平面透镜，大大减少了物镜的尺寸和重量，为微型化在体双光子显微镜提供了一个新的可能。
最早出现在实验室的超表面透镜属于微波领域：Aieta等人使用金属天线阵列实现对入射电磁场调控。随着微纳加工技术的不断发展，亚波长微结构概念被引入到近红外甚至可见光领域，出现了大量二维平面器件，覆盖对光场从陷波、分光、聚焦到偏振态调控等领域。不同于台阶型二元衍射器件(三维构型)，超表面透镜(二维)在降低维数的同时引入有效折射率概念，仅通过基元在XY平面参数设计就可达到高效的光场调控。Khorasaninejad等人通过在基板上排列单天线取向，以较高的衍射效率实现了较大数值孔径的可见光聚焦,同时也实验验证平面超透镜作为成像器件有较好的光学性能。目前常用于光频段超表面透镜(超透镜)基元有单天线、L天线、方柱和圆盘等结构。
利用大高宽比纳米圆柱，Arbabi进行了一系列开创性工作。2016年，他将以往物镜设计领域的几何像差校正概念引入超表面透镜设计，通过两片超表面透镜实现单色光全视场像差校正,最终获得较大视场下的高质量成像。从加工角度看，Capasso等人用常规电子束刻蚀方法加工了基于亚波长圆盘的大口径超表面透镜，实现了高深宽比的刻蚀。
相比于常规多片式物镜或GRIN透镜等传统透镜，超表面透镜有其独特优势。超表面透镜在尺寸、厚度、重量上远小于其他种类的透镜，同时却能够达到较大的数值孔径。超表面透镜对荧光也有很高的透射率，提高了荧光的收集效率。近年来，随着电子束刻蚀技术的日渐成熟，超表面透镜加工难度也进一步下降，其独特的平板结构可以显著提高光学系统的空间利用率。
本发明将超表面透镜应用在双光子显微系统上，能够做到更轻负重动物实验，提升在体双光子显微实验数据可靠性。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提出的基于超透镜的微型双光子显微系统，解决了微型双光子显微镜常用梯度折射率透镜或多片式微物镜对样品进行扫描成像，存在无法同时兼顾成像视场和分辨率的情况下进一步降低显微镜整装重量的问题。
本发明提供超透镜微结构的生成方法，包括以下步骤：
S0、生成相位图谱，对固定参数微结构单元进行仿真，获得所述固定参数微结构单元的散射场电磁偶极子消光峰光谱位置，在散射电磁场后，对所述固定参数微结构单元进行多极子展开，分析当前结构参数下的电偶极子和磁偶极子散射光谱，优化所述微结构单元的结构参数，得到共振峰重合的散射光谱；
S1、计算相位分布，计算以高阶多项式表达的相位分布，分配相位板的光焦度，采用光焦度的分离校正系统球差校正系统轴上球差、正弦差、远心度、场曲畸变；
S2、生成微结构，通过电子束曝光和离子反应刻蚀基底，得到超透镜的微结构。
进一步地，在步骤S0中，采用时域有限差分法对所述固定参数微结构单元进行仿真，所述电偶极子的散射峰位置与所述微结构尺寸因子相关，优化后的微结构的结构参数满足Kerker条件。
进一步地，在步骤S0中还包括对所述微结构的结构参数优化与共振峰优化交叉进行，亚波长微结构单元的前向散射效率达到极大。
进一步地，在步骤S2中，所述微结构的固定参数包括高宽比、尺寸、位置，不同位置的微结构的高宽比、尺寸与透射率相关。
基于超透镜的微型双光子显微系统，其特征在于：包括扫描控制系统、准直装置、二向色镜、采用上述超透镜微结构的生成方法生成的超透镜、聚焦透镜、光电倍增管；其中，
所述超透镜包括基底，所述基底上刻蚀有微结构；
所述准直装置用于对从所述扫描控制系统进入的激发光进行准直,得到准平行光；
所述二向色镜用于透射所述准平行光,反射所述超透镜收集的荧光信号；
所述超透镜用于将所述二向色镜透射的光聚焦在样品上,对所述样品上激发的荧光信号进行收集；
所述聚焦透镜用于对所述二向色镜反射的荧光信号进行聚焦；
所述光电倍增管用于接收所述聚焦透镜聚焦的荧光信号,输出电信号。
进一步地，所述微结构的组成材料为电介质材料，所述微结构的尺寸为亚波长。
进一步地，所述超透镜与聚焦控制系统连接。
进一步地，所述聚焦透镜与所述光电倍增管通过多模光纤连接。
进一步地，所述准直装置为准直透镜。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
本发明提供一种超透镜微结构的生成方法，包括步骤生成相位图谱、计算相位分布、生成微结构。本发明还涉及基于超透镜的微型双光子显微系统；本发明将超表面透镜引入到双光子显微领域，实现全视场下中等数值孔径聚焦的同时，显微镜结构得到极大简化，实现微型化，整体装备重量大大降低，能够做到更轻负重动物实验，提升在体双光子显微实验数据可靠性，这也给微型双光子，特别是在体显微成像带来了较高的科学价值：背负式微型显微系统对观察对象(比如小鼠)的影响进一步降低；整个系统从仿真设计到加工再到实验，是超表面透镜在显微成像领域的一次应用，并将为活体动物的脑成像提供新一代的成像设备，促进脑与神经科学研究的进展。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明的超透镜微结构的生成方法流程图；
图2为本发明的超透镜结构示意图；
图3为本发明的基于超透镜的微型双光子显微系统示意图。
图中：1、扫描控制系统；2、准直透镜；3、二向色镜；4、超透镜；41、基底；42、微结构；5、样品；6、聚焦透镜；7、光电倍增管。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
超透镜微结构的生成方法，如图1所示，包括以下步骤：
S0、生成相位图谱，对固定参数微结构单元进行仿真，获得固定参数微结构单元的散射场电磁偶极子消光峰光谱位置，在散射电磁场后，对固定参数微结构单元进行多极子展开，分析当前结构参数下的电偶极子和磁偶极子散射光谱，优化微结构单元的结构参数，得到共振峰重合的散射光谱。
具体地，在步骤S0中，采用时域有限差分光场仿真和电磁偶极近似分析相结合的方法获得需要的相位图谱，采用时域有限差分法对固定参数微结构单元进行仿真，获得某一固定参数微结构单元的散射场电磁偶极子消光峰光谱位置和散射电磁场后，对其做多极子展开用于分析当前结构参数下的电偶和磁偶极子散射光谱。电偶极子的散射峰位置和微结构尺寸因子直接相关，优化微结构的结构参数，得到共振峰重合的散射光谱，即满足Kerker条件。Kerker条件具体为：(1)粒子尺寸必须比波长小；(2)激发或散射频率必须接近表面等离子体共振条件；(3)分子不能离表面太远。为进一步提高前向和总散射效率，结构的优化和共振峰优化交叉进行，最终亚波长微结构基元的前向散射效率达到极大，保证了微结构透过率接近于1。这样总散射/前向散射效率和共振峰重合优化交替进行的方式保证了基元散射相位调控的高效性。
S1、计算相位分布，计算以高阶多项式表达的相位分布，分配相位板的光焦度，采用光焦度的分离校正系统球差校正系统轴上球差、正弦差、远心度、场曲畸变；具体地，在步骤S1中，使用自动像差校正软件对以高阶多项式表达的相位分布进行计算，设计时需要合理分配两片相位板的光焦度，采用光焦度的分离校正系统球差，主要校正系统轴上球差、正弦差和远心度，兼顾场曲畸变。
S2、生成微结构，通过电子束曝光和离子反应刻蚀在基底上，得到超透镜的几十纳米到几百纳米的微结构，微结构的固定参数包括高宽比、尺寸、位置，不同位置的微结构的高宽比、尺寸与透射率相关，微结构的高宽比、尺寸和位置的准确性对最终成像的质量有很大的影响。在基底上排列亚波长尺寸的电介质材料，按一定的透射率关系设定在不同位置的微结构参数，使经过超表面透镜的光场产生所需要的相位梯度，实现满足设计需求的功能。将制作好的超表面透镜作为物镜应用于双光子显微系统。
基于超透镜4的微型双光子显微系统，如图3所示，包括扫描控制系统1、准直装置、二向色镜3、采用上述超透镜微结构的生成方法生成的超透镜4、聚焦透镜6、光电倍增管7；优选地，准直装置为准直透镜2。其中，
超透镜4，如图2所示，应当理解的是，超透镜4就是超表面透镜，包括基底41，其中，基底41上刻蚀有微结构42，优选地，微结构42的组成材料为电介质材料，微结构42的尺寸为亚波长，超透镜4的尺寸可达到半径厘米级，厚度毫米级，将其引入到双光子显微领域，实现全视场下中等数值孔径聚焦的同时，显微镜结构得到极大简化，实现微型化，整体装备重量大大降低，能够做到更轻负重动物实验，提升在体双光子显微实验数据可靠性。
准直装置用于对从扫描控制系统1进入的激发光进行准直,得到准平行光；
二向色镜3用于透射准平行光,反射超透镜4收集的荧光信号；
超透镜4与聚焦控制系统连接，超透镜4用于将二向色镜3透射的光聚焦在样品5上,对样品5上激发的荧光信号进行收集；
聚焦透镜6与光电倍增管7通过多模光纤连接，聚焦透镜6用于对二向色镜3反射的荧光信号进行聚焦；
光电倍增管7用于接收聚焦透镜6聚焦的荧光信号,输出电信号。
双光子显微系统的工作过程为：激发光从扫描控制系统1进入准直透镜2，经过准直后的光线透过二向色镜3的透射方向来到作为物镜的超透镜4，同时超透镜4连接聚焦控制系统，二向色镜3透射的光经过超透镜4的聚焦打到样品5上，在样品5上激发荧光信号，样品5被激发的荧光信号被作为物镜的超透镜4收集后返回，从二向色镜3的反射方向到达聚焦透镜6，经多模光纤进入光电倍增管7，得到样品5的荧光信号，进行下一步的成像与分析。
本发明提供一种超透镜微结构的生成方法，包括步骤生成相位图谱、计算相位分布、生成微结构。本发明还涉及基于超透镜的微型双光子显微系统；本发明将超表面透镜引入到双光子显微领域，实现全视场下中等数值孔径聚焦的同时，显微镜结构得到极大简化，实现微型化，整体装备重量大大降低，能够做到更轻负重动物实验，提升在体双光子显微实验数据可靠性，这也给微型双光子，特别是在体显微成像带来了较高的科学价值：背负式微型显微系统对观察对象(比如小鼠)的影响进一步降低；整个系统从仿真设计到加工再到实验，将超表面透镜引入双光子显微成像系统领域，并将为活体动物的脑成像提供新一代的成像设备，促进脑与神经科学研究的进展。
以上，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按说明书附图所示和以上而顺畅地实施本发明；但是,凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时,凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。

Claims (9)

1.超透镜微结构的生成方法，其特征在于，包括以下步骤：
S0、生成相位图谱，对固定参数微结构单元进行仿真，获得所述固定参数微结构单元的散射场电磁偶极子消光峰光谱位置，在散射电磁场后，对所述固定参数微结构单元进行多极子展开，分析当前结构参数下的电偶极子和磁偶极子散射光谱，优化所述微结构单元的结构参数，得到共振峰重合的散射光谱；
S1、计算相位分布，计算以高阶多项式表达的相位分布，分配相位板的光焦度，采用光焦度的分离校正系统球差校正系统轴上球差、正弦差、远心度、场曲畸变；
S2、生成微结构，通过电子束曝光和离子反应刻蚀基底，得到超透镜的微结构。
2.如权利要求1所述的超透镜微结构的生成方法，其特征在于：在步骤S0中，采用时域有限差分法对所述固定参数微结构单元进行仿真，所述电偶极子的散射峰位置与所述微结构尺寸因子相关，优化后的微结构的结构参数满足Kerker条件。
3.如权利要求1所述的超透镜微结构的生成方法，其特征在于：在步骤S0中还包括对所述微结构的结构参数优化与共振峰优化交叉进行，亚波长微结构单元的前向散射效率达到极大。
4.如权利要求1所述的超透镜微结构的生成方法，其特征在于：在步骤S2中，所述微结构的固定参数包括高宽比、尺寸、位置，不同位置的微结构的高宽比、尺寸与透射率相关。
5.基于超透镜的微型双光子显微系统，其特征在于：包括扫描控制系统、准直装置、二向色镜、采用如权利要求1所述的方法生成的超透镜、聚焦透镜、光电倍增管；其中，
所述超透镜包括基底，所述基底上刻蚀有微结构；
所述准直装置用于对从所述扫描控制系统进入的激发光进行准直,得到准平行光；
所述二向色镜用于透射所述准平行光,反射所述超透镜收集的荧光信号；
所述超透镜用于将所述二向色镜透射的光聚焦在样品上,对所述样品上激发的荧光信号进行收集；
所述聚焦透镜用于对所述二向色镜反射的荧光信号进行聚焦；
所述光电倍增管用于接收所述聚焦透镜聚焦的荧光信号,输出电信号。
6.如权利要求5所述的基于超透镜的微型双光子显微系统，其特征在于：所述微结构的组成材料为电介质材料，所述微结构的尺寸为亚波长。
7.如权利要求5所述的基于超透镜的微型双光子显微系统，其特征在于：所述超透镜与聚焦控制系统连接。
8.如权利要求5所述的基于超透镜的微型双光子显微系统，其特征在于：所述聚焦透镜与所述光电倍增管通过多模光纤连接。
9.如权利要求5所述的基于超透镜的微型双光子显微系统，其特征在于：所述准直装置为准直透镜。
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