CN110376135A - 一种太赫兹超分辨显微成像系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于超分辨显微成像领域，公开了一种太赫兹超分辨显微成像系统。该系统利用波前相位调制器件改变调制激光的波前相位，从而改变其远场光强分布，成为中空的环形光斑；调制激光光斑和太赫兹光斑在太赫兹调制器件处精确重合，利用调制激光光斑调制太赫兹光斑，使太赫兹波只能从调制激光的中空的环形光斑的中心小范围区域透过，因而可透过太赫兹调制器的太赫兹有效探测光斑变小，远小于光学衍射极限，通过扫描成像，该系统可以达到远超过太赫兹波衍射极限的分辨率，系统分辨率甚至可以突破调制激光的衍射光斑大小的限制；本发明可直接对被测物体扫描成像，并且探测信号来自被测物体实时信息，有利于与多种实时检测与分析技术相结合。

Description

一种太赫兹超分辨显微成像系统
技术领域
本发明属于超分辨显微成像领域，涉及一种太赫兹超分辨显微成像系统。
背景技术
太赫兹(THz)波是指频率处在0.1至10THz(波长范围30μm至3mm)的电磁波，其电磁波频谱范围介于红外光与微波之间。作为连接宏观电子学和微观光子学的中间过度波段，太赫兹波具备独特的光谱特性，如单光子能量低、没有电离效应、对非极性物质穿透性好、有较高的谱分辨率和指纹谱特性等。因而，太赫兹波在天体物理学、通讯、材料学、化学、生物医学以及国防安全等领域有着广泛的应用。
基于透镜和抛物面镜组合的传统太赫兹成像设备，其成像系统的空间分辨能力受限于光学衍射极限。而且，相比于红外和可见光，太赫兹波长更长，进一步限制了太赫兹成像系统的探测分辨能力。对于传统太赫兹成像系统，其空间分辨率为亚毫米量级，若想得到更高空间分辨率，得到更多被测样品空间信息，需要突破光学衍射的限制，实现超分辨成像。
目前实现超分辨太赫兹成像的主要方法为采用近场扫描成像技术，其中包括：1)利用孔径型探针束缚近场太赫兹扫描区域[1]；2)基于原子力显微镜，利用探针针尖局部微小区域太赫兹电磁场增强来实现超分辨近场扫描成像[2]；3)通过飞秒激光成丝产生亚波长太赫兹照明光源的近场成像[3]。以上近场扫描技术通过减小太赫兹辐射场在探测区域的有效辐射面积，或者在微小区域内探测太赫兹辐射信号，从而实现突破光学衍射极限成像。另一种近场太赫兹超分辨成像技术基于关联成像方法，利用空间光调制太赫兹波的空间分布，通过反演计算并结合压缩感知技术，实现无扫描的单点探测的超分辨编码成像[4]。
现有技术的缺陷：
太赫兹近场超分辨成像技术受限于以下几个方面：基于探针的太赫兹近场扫描技术中，探针需要近距离接触被测物体，因而对被测物的表面平整度有较高要求，同时探针对被测物的微观特性也会引入干扰，以及系统中针尖的卷积效应，都会影响探测结果的有效性。同时，基于探针的近场太赫兹扫描系统价格昂贵，探针寿命有限。
基于近场空间光调制和编码成像的太赫兹超分辨成像技术中，其图像需要后期反演计算处理，同时分辨率受限于采样图像的测量数量以及整体图像采集时间。另一方面，其系统受限于调制光本身的分辨率限制。
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发明内容
针对上述技术问题，本发明提出了一种太赫兹超分辨显微成像系统，提高了系统成像分辨率，不需要后期图像反演计算，即可直接对被测物体扫描成像。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种太赫兹超分辨显微成像系统，包括调制激光光源模块、太赫兹光源模块、光束耦合模块和光场调制与探测模块；所述调制激光光源模块包括调制激光器、准直扩束透镜组、孔径光阑和波前相位调制器件；所述太赫兹光源模块包括太赫兹波产生发射器件和太赫兹准直透镜；所述光束耦合模块包括二色镜和抛物面镜；所述光场调制与探测模块包括太赫兹调制器件、样品载物台、耦合透镜、共聚焦孔径和探测器；
调制激光器发出的激光光束经过准直扩束透镜组后准直传输，再通过孔径光阑调节激光光束的横向面积尺寸，经过调节后的激光再经过波前相位调制器件进行波前相位调制，作为调制激光光束；
太赫兹波产生发射器件产生的太赫兹波经过太赫兹准直透镜准直传输后穿过二色镜；所述调制激光光束被二色镜反射，由此太赫兹波和调制激光光束耦合同轴传输，并同时由抛物面镜反射汇聚于太赫兹调制器件处，调制激光光束在太赫兹调制器件处形成中空的环形光斑，所述中空的环形光斑被用于调制太赫兹波，使太赫兹波仅能穿过环形光斑的中空区域；
被测样品固定放置于样品载物台，并且紧邻太赫兹调制器件，通过移动样品载物台的位置，使透过太赫兹调制器件处环形光斑的中空区域的太赫兹波照射样品的不同区域；带有样品信息的太赫兹波经过耦合透镜聚焦穿过共聚焦孔径后被探测器探测接收。
进一步的，调制激光器为近红外激光器或者可见光激光器。
进一步的，激光输出模式为脉冲激光或者连续激光。
进一步的，激光输出模式为脉冲激光时，在波前相位调制器件与二色镜之间增加空间光延迟部件，或在太赫兹准直透镜与二色镜之间增加空间光延迟部件。
进一步的，太赫兹波产生发射器件产生太赫兹波的方式为：太赫兹波产生发射器件选用太赫兹量子级联激光器产生太赫兹波；或者太赫兹波产生发射器件选用太赫兹喇叭天线产生太赫兹波；或者太赫兹波产生发射器件选用飞秒激光器，飞秒激光器输出的飞秒激光经过电光晶体后，利用光整流效应产生太赫兹波。
进一步的，波前相位调制器件为空间光调制器或涡旋相位板。
进一步的，太赫兹调制器件选取二氧化钒薄膜或者薄硅片。
本发明所达到的有益效果：
本发明利用波前相位调制器件改变调制激光的波前相位，从而改变其远场光强分布，成为中空的环形光斑；调制激光光斑和太赫兹光斑在太赫兹调制器件处精确重合，利用调制激光光斑调制太赫兹光斑，使太赫兹波只能从调制激光的中空的环形光斑的中心小范围区域透过，因而可透过太赫兹调制器的太赫兹有效探测光斑变小，即系统的点扩散函数变小，远小于光学衍射极限，通过扫描成像，该系统可以达到远超过太赫兹波衍射极限的分辨率。由于其调制原理，该系统分辨率甚至可以突破调制激光的衍射光斑大小的限制。
相比于编码成像，本发明不需要后期图像反演计算，即可直接对被测物体扫描成像，并且探测信号来自被测物体实时信息，有利于与多种实时检测与分析技术相结合。
附图说明
图1为本发明提供的一种太赫兹超分辨显微成像系统的组成示意图；
图2为调制激光聚焦形成中空的环形光斑；
图3为调制激光光斑调制太赫兹有效透过光斑原理示意图；(a)太赫兹光斑和调制激光光斑在空间上重合，调制后太赫兹有效透过光斑变小，(b)太赫兹波和调制激光光强横向分布，增加调制激光光强可逐步减小太赫兹有效透过光斑大小。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及有益效果更加清楚明白，下面结合附图及实施例对本发明进一步详细说明。应当注意，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明基于太赫兹共聚焦显微成像系统，通过调制远场特定区域的太赫兹辐射光斑，使太赫兹实际有效透过光斑减小，进而实现突破衍射极限的成像。具体方案如下：
如图1所示，本发明提供的一种太赫兹超分辨显微成像系统分为4个模块：调制激光光源模块100、太赫兹光源模块200、光束耦合模块300和光场调制与探测模块400。所述调制激光光源模块100包括调制激光器101、准直扩束透镜组102、孔径光阑103和波前相位调制器件104。所述太赫兹光源模块200包括太赫兹波产生发射器件201和太赫兹准直透镜202。所述光束耦合模块300包括二色镜301和抛物面镜302。所述光场调制与探测模块400包括太赫兹调制器件401、样品载物台402、耦合透镜403、共聚焦孔径404和探测器405。
调制激光器101可以为近红外激光器或者可见光激光器，激光输出模式可以为脉冲激光或者连续激光。在本发明的一个具体实施例中，调制激光器101采用近红外飞秒激光器产生调制激光，该调制激光用以在太赫兹调制器件401处调制太赫兹波。
近红外飞秒激光器发出的近红外飞秒激光，经过准直扩束透镜组102后准直传输，再通过孔径光阑103调节光束的横向面积尺寸。调节后的近红外飞秒激光再经过波前相位调制器件104，该波前相位调制器件将对近红外飞秒激光进行波前相位调制，使其波前相位为涡旋相位，从而使其远场光强分布为中空的环形结构。该近红外飞秒激光用以调制太赫兹光场分布。
在本发明中，太赫兹波产生发射器件201可以为太赫兹量子级联激光器或太赫兹喇叭天线等器件，用以产生太赫兹波，也可以通过光整流过程实现，即通过把飞秒激光器101输出的飞秒激光光束分路，所分出光路通过电光晶体后产生太赫兹波。
所产生的太赫兹波经过太赫兹准直透镜202准直传输，该太赫兹波穿过二色镜301，而用以调制太赫兹的调制激光光束则被该二色镜反射，由此太赫兹波和调制激光光束耦合同轴传输，并同时由抛物面镜302反射聚焦于太赫兹调制器件401处。太赫兹调制器件401利用调制激光进行调制操作，在其表面有调制激光光强照射的局部区域，太赫兹调制器件产生光致绝缘体-金属相变，该区域的太赫兹光电导率显著增加，即自由电子密度升高，加大了对太赫兹波的吸收，从而导致该调制激光光强照射的区域的太赫兹波透过率减小。通过改变调制光的光强分布，可以对太赫兹透过光强进行调制。
太赫兹波和近红外调制光束同时汇聚于太赫兹调制器件401，二者光斑中心位置在空间上重合。太赫兹调制器件401由近红外调制光场调控，该近红外调制激光在汇聚光斑处，即太赫兹调制器件处，形成中空的环形光斑。在近红外调制激光的局部照射区域，太赫兹调制器件401的导电率增加，进而在该局部区域阻断太赫兹波的传输透过率，最终只在环形光斑的中空位置留出能够传输透过太赫兹波的微纳尺度区域。
其中，当调制激光和太赫兹波均采用脉冲光时，为增加近红外调制激光对太赫兹波传输的抑制效率，需要二者的光脉冲同步并保持一定时间延迟。调节二者脉冲时间延迟通过改变太赫兹波和近红外调制光路的光程差，具体可在波前相位调制器件104与二色镜301之间增加空间光延迟部件，或太赫兹准直透镜202与二色镜301之间增加空间光延迟部件。
被测样品固定放置于样品载物台402，并且紧邻太赫兹调制器件401。通过移动样品载物台402的位置，使透过太赫兹调制器件401处环形光斑的中空区域的太赫兹波照射样品的不同区域，最终生成图像。由于太赫兹波的远场扫描光斑其中心以外的大部分区域被近红外调制激光抑制传输，其有效透过尺寸大幅降低，即系统点扩散函数尺寸减小，进而该太赫兹超分辨显微成像系统可以达到远超过太赫兹波衍射极限的分辨率。此外，由于对太赫兹远场光斑的调制是利用中空环形近红外调制激光光斑的中心无光区域来透过太赫兹波，因而其分辨率甚至可以超越其近红外调制光的衍射极限。
系统的探测模块利用共聚焦显微成像原理，带有样品信息的太赫兹波经过耦合透镜403聚焦穿过共聚焦孔径404，该共聚焦孔径用于滤除带有样品信息的太赫兹波中的杂散光，以提高信噪比。最后，透过共聚焦孔径的太赫兹波被探测器405探测接收。
近红外调制激光产生中空的环形光斑原理如图2所示。近红外平行光的通过波前相位调制器件，增加一个角向方向从0到2π连续变换的涡旋相位，所调制后的近红外调制激光成为非均匀偏振的涡旋光，并由聚焦透镜聚焦，在远场焦平面处通过光场矢量的相干叠加，在汇聚焦点处形成中空的环形光斑。波前相位调制器件包括但不限于空间光调制器和涡旋相位板。当通过空间光调制器件调制近红外调制激光光场时，可以利用其灵活的相位调控，实现自适应光学，消除系统相差并进行光束整形。
近红外调制激光在太赫兹调制器件401处的中空的环形光斑对太赫兹有效透过光斑的调制如图3所示。高斯分布的常规太赫兹光斑与中空环形的近红外调制激光光斑在空间上重合，见图3(a)。调制激光光斑空间结构对称，且中心点区域光强趋于零。
由于二者波长不同，光斑大小有一定差别，可以利用孔径光阑减小聚焦前的近红外调制激光的腰束半径，从而增大其聚焦后的光斑尺寸，使之与太赫兹光斑大小相近并充分填充其光场区域。太赫兹光斑则在太赫兹调制器件处在调制激光的作用下被调制。近红外调制光斑照射在太赫兹调制器件上，在光照区域抑制太赫兹波透过，使太赫兹有效光斑尺寸大幅减小。太赫兹和调制激光光斑的横截面光强分布如图3(b)所示。近红外调制激光环形光斑横向光强分布由两边的极大值逐渐降低至中心极小值，且仅在中心区域无穷小的点处其光强为0。由于调制光斑中心区域光强低，四周高，因而仅在其中心小范围区域可以透过太赫兹波，即太赫兹有效透过光斑变小。当提高近红外调制激光的光强时，在更多的趋向中心的区域，其光强达到对太赫兹波的抑制阈值，从而使中心范围可以透过太赫兹波的区域不断减小，即可以通过改变近红外调节激光的光强逐步减小太赫兹有效光斑大小。该系统的分辨率在理论上没有限制，实际中的限制为所能够施加的近红外调制激光的光强，避免对太赫兹调制器或被测样品产生破环作用，此外为获得更好的调制效果，应该通过消除相差，使近红外调制光斑形状规则对称，且环形光斑的中心区域光强尽可能小。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种太赫兹超分辨显微成像系统，其特征在于，该系统包括调制激光光源模块(100)、太赫兹光源模块(200)、光束耦合模块(300)和光场调制与探测模块(400)；所述调制激光光源模块(100)包括调制激光器(101)、准直扩束透镜组(102)、孔径光阑(103)和波前相位调制器件(104)；所述太赫兹光源模块(200)包括太赫兹波产生发射器件(201)和太赫兹准直透镜(202)；所述光束耦合模块(300)包括二色镜(301)和抛物面镜(302)；所述光场调制与探测模块(400)包括太赫兹调制器件(401)、样品载物台(402)、耦合透镜(403)、共聚焦孔径(404)和探测器(405)；
调制激光器(101)发出的激光光束经过准直扩束透镜组(102)后准直传输，再通过孔径光阑(103)调节激光光束的横向面积尺寸，经过调节后的激光再经过波前相位调制器件(104)进行波前相位调制，作为调制激光光束；
太赫兹波产生发射器件(201)产生的太赫兹波经过太赫兹准直透镜(202)准直传输后穿过二色镜(301)；所述调制激光光束被二色镜(301)反射，由此太赫兹波和调制激光光束耦合同轴传输，并同时由抛物面镜(302)反射汇聚于太赫兹调制器件(401)处，调制激光光束在太赫兹调制器件(401)处形成中空的环形光斑，所述中空的环形光斑用于调制太赫兹波，使太赫兹波仅能穿过环形光斑的中空区域；
被测样品固定放置于样品载物台(402)，并且紧邻太赫兹调制器件(401)，通过移动样品载物台(402)的位置，使透过太赫兹调制器件(401)处环形光斑的中空区域的太赫兹波照射样品的不同区域；带有样品信息的太赫兹波经过耦合透镜(403)聚焦穿过共聚焦孔径(404)后被探测器(405)探测接收。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，调制激光器(101)为近红外激光器或者可见光激光器。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，激光输出模式为脉冲激光或者连续激光。
4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，激光输出模式为脉冲激光时，在波前相位调制器件(104)与二色镜(301)之间增加空间光延迟部件，或在太赫兹准直透镜(202)与二色镜(301)之间增加空间光延迟部件。
5.如权利要求1或2或3所述的系统，其特征在于，太赫兹波产生发射器件(201)产生太赫兹波的方式为：太赫兹波产生发射器件(201)选用太赫兹量子级联激光器产生太赫兹波；或者太赫兹波产生发射器件(201)选用太赫兹喇叭天线产生太赫兹波；或者太赫兹波产生发射器件(201)选用飞秒激光器，飞秒激光器输出的飞秒激光经过电光晶体后，利用光整流效应产生太赫兹波。
6.如权利要求1或2或3所述的系统，其特征在于，波前相位调制器件(104)为空间光调制器或涡旋相位板。
7.如权利要求1或2或3所述的系统，其特征在于，太赫兹调制器件(401)选取二氧化钒薄膜或者薄硅片。
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