CN111250873B - 一种基于gb-sted的深层超分辨激光直写系统及其实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于GB‑STED的深层超分辨激光直写系统及其实现方法。本发明采用一阶高斯贝塞尔光束作为湮灭光，在深入样品内部时仍能保持超分辨直写能力，相位板严格放置于湮灭光扩束系统的前焦面处，湮灭光扩束系统的后焦面严格与物镜入瞳重合，光路紧凑；湮灭光滤波系统采用偏振保持光纤，湮灭光路去掉了偏振片和半波片，从而减少对光斑形貌的影响，并能保证出射光为线性偏振光；激发光和湮灭光各自加入空间滤波，因而聚焦时的光斑形貌最优，能更好控制直写结构的形貌；采用一对耦合调节反射镜调节合束，满足合束镜对更严格的入射角的要求；用相机观察，进行粗略调节，并采用信号探测器观察，进行精细调节，提高调节精度并提高调节效率。

Description

一种基于GB-STED的深层超分辨激光直写系统及其实现方法
技术领域
本发明涉及激光直写系统，具体涉及一种基于GB-STED的深层超分辨激光直写系统及其实现方法。
背景技术
在微纳加工领域，相较紫外曝光、电子束刻蚀、近场加工、纳米压印等技术，激光直写是一种真正可能具有三维加工能力、灵活而低成本的加工技术。激光直写被用于玻璃、钻石、陶瓷、半导体等材料，其主要原理是刻蚀因而其应用场景受限。此项目聚焦在新型聚合物材料上，其基本原理是一系列光物理、光化学过程导致的光聚合。
由于衍射极限，激光直写所得线宽最小只能到半波长量级。利用超快光源实现的双光子直写相对于传统的单光子直写可减小线宽，但减小的极限为相应单光子直写的
Figure BDA0002376853210000011
只有基于受激辐射湮灭(STED)相关原理的超分辨激光直写技术，才可能进一步减小线宽(只要材料支持，理论上线宽可无限减小)。
基于双光子直写和STED相关原理的超分辨激光直写技术仍有缺陷。在光束深入材料内部时，由于折射率失配带来的像差(以球差为主导)会使得经相位调制的中空光展宽、拉长、变形、离焦。因此，基于STED相关原理搭建的系统，其超分辨光直写能力通常仅能维持在材料表面。为了提高深层加工能力，矫正环和自适应光学被引入，然而前者难以自动化，后者复杂并且由于相位补偿范围有限因而加工深度仍然受限。
发明内容
为了克服传统超分辨激光直写系统在深层加工时，无法保持其超分辨能力的问题，本发明提出了一种基于GB-STED的深层超分辨激光直写系统及其实现方法，利用高斯贝塞尔光抗球差的特性，用一阶高斯贝塞尔光(GB1)取代传统一阶拉盖尔高斯(LG1)作为湮灭光的深层超分辨激光直写系统，其深层超分辨能力在物镜工作距离范围内得以维持。
本发明的一个目的在于提出一种基于GB-STED的深层超分辨激光直写系统。
本发明的基于GB-STED的深层超分辨激光直写系统包括：激发光光源、衰减及保护系统、第一和第二光开关、激发光扩束滤波系统、合束调节反射镜、合束镜、湮灭光光源、可调衰减片、耦合调节反射镜、湮灭光滤波系统、贝塞尔光束产生及频谱变换系统、0-2π涡旋相位板、湮灭光扩束系统、第一和第二薄膜分束镜、宽带1/4波片、物镜、压电精密三维移动平台、照明系统、相机以及信号探测器；其中，激发光光源发出飞秒脉冲光作为激发光；激发光经衰减及保护系统后，通过第一光开关至激发光扩束滤波系统，滤除激发光中的高阶模式只剩下基模并对激发光扩束，经一对合束调节反射镜调节后入射至合束镜；依次经过合束镜以及第一和第二薄膜分束镜，或者第二和第一薄膜分束镜，通过宽带1/4波片变为圆偏振光，由物镜聚焦至位于样品台内的样品上，样品台位于压电精密三维移动平台上；湮灭光光源发出连续光，作为湮灭光，主要成分为基模高斯光，经可调衰减片调节光强后，经一对耦合调节反射镜调节后耦合至湮灭光滤波系统的偏振保持光纤，滤除高阶模式同时保持线性偏振，出射线性偏振的基模高斯光；基模高斯光经贝塞尔光束产生及频谱变换系统变换成基模高斯贝塞尔光；基模高斯贝塞尔光经0-2π涡旋相位板改变相位分布形成一阶高斯贝塞尔光束，具有中空区域；经湮灭光扩束系统扩束，依次经过合束镜以及第一和第二薄膜分束镜，或者第二和第一薄膜分束镜，通过宽带1/4波片变为圆偏振光，由物镜聚焦至样品上；第一光开关位于激发光路的激发光扩束滤波系统前，第二光开关位于湮灭光路的湮灭光扩束系统前，分别调节激发光和湮灭光的曝光时间；在湮灭光路中，0-2π涡旋相位板严格放置于湮灭光扩束系统的前焦面处，湮灭光扩束系统的后焦面严格与物镜的入瞳重合，形成共焦配置，能够使湮灭光的中空区域最小；贝塞尔光束产生及频谱变换系统的后焦面严格与0-2π涡旋相位板即湮灭光扩束系统的前焦面重合，从而在物镜聚焦后形成准直的高斯贝塞尔光，实现光路进入物镜前的贝塞尔区更短，实现光路紧凑并减少湮灭光能量分散；在调节阶段，将调节样品放置在样品台内，调节样品具有散射颗粒，暂时撤下贝塞尔光束产生及频谱变换系统；照明系统发出照明光至调节样品，使得物镜视野范围明亮且对比度最佳；从调节样品散射的光经物镜收集原路返回，经第一薄膜分束镜至相机，通过相机观察，通过合束调节反射镜粗略调节激发光实现激发光与湮灭光的二维重合；通过压电精密三维移动平台三维移动样品台，从调节样品上的散射颗粒散射的光经第二薄膜分束镜至信号探测器，反映激发光和湮灭光聚焦后的光斑形貌，通过分析信号探测器所接收到的信号，通过合束调节反射镜精细调节激发光实现激发光和湮灭光的三维重合；分别通过相机观察进行粗略调节和通过信号探测器进行精细调节，调节0-2π涡旋相位板使得一阶拉盖尔高斯光束的中空区域的光对称且均匀；放上贝塞尔光束产生及频谱变换系统，分别通过相机观察进行粗略调节和通过信号探测器进行精细调节，调节贝塞尔光产生及频谱变换系统，使得一阶高斯贝塞尔光对称、均匀并准直，且与激发光共焦；取下调节样品将直写样品放置在样品台内，以一阶高斯贝塞尔光作为湮灭光，产生的球差非常小，进入直写样品的深层仍能保持中空的形貌不变形，与三维重合的脉冲的激发光，实现深层超分辨双光子直写。
激发光与湮灭光的波长、脉冲宽度(脉冲激光)由直写样品材料的能级决定。目前STED框架下的材料体系为，PETTA：DETC＝0.995:0.005wt.％(质量比)。PETTA为季戊四醇四丙烯酸酯，DETC为7-二乙氨基-3-噻吩甲酰基香豆素。
激发光光源发出脉冲激光，中心波长为500～780nm；脉冲宽度为100～400fs；重复频率为1kHz～100MHz。本发明的激发光采用脉冲激光，为背景技术中的双光子直写；双光子直写能获得更小的线宽、纵向分辨率更高，且穿透深度更深。
衰减及保护系统包括隔离器和衰减片。
激发光扩束滤波系统包括第一前透镜、针孔、第一后透镜和光阑；激发光通过针孔分离基模和各高阶模式，通过光阑遮挡各高阶模式从而实现滤波，同时通过第一前透镜和第一后透镜实现扩束。
湮灭光滤波系统包括前准直器、保偏光纤和后准直器；湮灭光采用偏振保持光纤进行滤波，并能保证出射光为线性偏振光。
贝塞尔光束产生及频谱变换系统采用角锥镜和频谱变换透镜，通过角锥镜将高斯光转化为高斯贝塞尔光，频谱变换透镜将高斯贝塞尔光变换得到频谱环，经过湮灭光扩束系统使得频谱环的半径为物镜入瞳半径的70～90％，频谱变换透镜的后焦面落在湮灭光扩束系统的前焦面，湮灭光扩束系统的后焦面落在物镜的前焦面上即入瞳处；通过相机和信号探测器分别观察，调节角锥镜和频谱变换透镜的空间位置，使得贝塞尔光束均匀、对称并与激发光共焦，且贝塞尔区平行于光轴方向。或者，贝塞尔光束产生及频谱变换系统采用空间光调制器、挡板和频谱变换透镜。
湮灭光扩束系统包括第二前透镜和第二后透镜。
进一步，还包括一对调节光高反射镜，设置在激发光路的激发光光源后，调节激发光的高度。
合束镜采用双色镜。第一和第二薄膜分束镜，能够收集散射的激光信号。
相机采用CCD相机或CMOS相机；信号探测器采用雪崩二极管(APD)或光电探测器(PD)。
样品置于样品台内，样品台包括前盖玻片、保护侧壁和后盖玻片；其中，在物镜与前盖玻片之间充满蒸馏水，平行的前盖玻片和后盖玻片之间为保护侧壁，围成封闭空间，内部为样品。
照明系统依次包括白光LED、长通滤色片、第三前透镜和第三后透镜。
本发明的另一个目的在于提出一种基于GB-STED的深层超分辨激光直写系统的实现方法。
本发明的基于GB-STED的深层超分辨激光直写系统的实现方法，包括以下步骤：
1)激发光光源发出飞秒脉冲光作为激发光；
2)激发光经衰减及保护系统后，通过第一光开关至激发光扩束滤波系统，滤除激发光中的高阶模式只剩下基模并对激发光扩束，经一对合束调节反射镜调节后入射至合束镜；
3)依次经过合束镜以及第一和第二薄膜分束镜，或者第二和第一薄膜分束镜，通过宽带
1/4波片变为圆偏振光，由物镜聚焦至位于样品台内的样品上，样品台位于压电精密三维移动平台上；
4)湮灭光光源发出连续光，作为湮灭光，主要成分为基模高斯光，经可调衰减片调节光强后，经一对耦合调节反射镜调节后耦合至湮灭光滤波系统的偏振保持光纤，滤除高阶模式同时保持线性偏振，出射线性偏振的基模高斯光；
5)基模高斯光经贝塞尔光束产生及频谱变换系统变换成基模高斯贝塞尔光；
6)基模高斯贝塞尔光经0-2π涡旋相位板改变相位分布形成一阶高斯贝塞尔光束，具有中空区域；
7)经湮灭光扩束系统扩束，依次经过合束镜以及第一和第二薄膜分束镜，或者第二和第一薄膜分束镜，通过宽带1/4波片变为圆偏振光，由物镜聚焦至样品上；
8)第一光开关位于激发光路的激发光扩束滤波系统前，第二光开关位于湮灭光路的湮灭光扩束系统前，分别调节激发光和湮灭光的曝光时间；在湮灭光路中，0-2π涡旋相位板严格放置于湮灭光扩束系统的前焦面处，湮灭光扩束系统的后焦面严格与物镜的入瞳重合，形成共焦配置，能够使湮灭光的中空区域最小；贝塞尔光束产生及频谱变换系统的后焦面严格与0-2π涡旋相位板即湮灭光扩束系统的前焦面重合，从而在物镜聚焦后形成准直的高斯贝塞尔光，实现进入物镜前的贝塞尔区更短，实现光路紧凑并减少湮灭光能量分散；
9)在调节阶段，将调节样品放置在样品台内，调节样品具有散射颗粒，暂时撤下贝塞尔光束产生及频谱变换系统；
10)照明系统发出照明光至调节样品，使得物镜视野范围明亮且对比度最佳；
11)从调节样品散射的光经物镜收集原路返回，经第一薄膜分束镜至相机，通过相机观察，通过合束调节反射镜粗略调节激发光实现激发光与湮灭光的二维重合；
12)通过压电精密三维移动平台三维移动样品台，从调节样品上的散射颗粒散射的光经第二薄膜分束镜至信号探测器，反映激发光和湮灭光聚焦后的光斑形貌，通过分析信号探测器所接收到的信号，通过合束调节反射镜精细调节激发光实现激发光和湮灭光的三维重合；
13)分别通过相机观察进行粗略调节和通过信号探测器进行精细调节，调节0-2π涡旋相位板使得一阶拉盖尔高斯光束的中空区域的光对称且均匀；
14)放上贝塞尔光束产生及频谱变换系统，分别通过相机观察进行粗略调节和通过信号探测器进行精细调节，调节贝塞尔光产生及频谱变换系统，使得一阶高斯贝塞尔光对称均匀并准直，且与激发光共焦；
15)取下调节样品将直写样品放置在样品台内，以一阶高斯贝塞尔光作为湮灭光，产生的球差非常小，进入直写样品的深层仍能保持中空的形貌不变形，与三维重合的脉冲的激发光，实现深层超分辨双光子直写。
其中，在步骤14)中，通过角锥镜将高斯光转化为高斯贝塞尔光，频谱变换透镜将高斯贝塞尔光变换得到频谱环，经过湮灭光扩束系统使得频谱环的半径为物镜入瞳半径的70～90％，频谱变换透镜的后焦面落在湮灭光扩束系统的前焦面，湮灭光扩束系统的后焦面落在物镜的前焦面上；通过相机和信号探测器分别观察，调节角锥镜和频谱变换透镜的空间位置，使得贝塞尔光束均匀、对称并与激发光共焦，且贝塞尔区平行于光轴方向。
本发明的优点：
(1)采用一阶高斯贝塞尔光束作为湮灭光，本发明克服了深层加工时因较大球差带来的光斑变形问题，使得系统在深入样品内部时仍能保持超分辨直写能力，并且无需主动调节物镜校正环，无需设置复杂的自适应光学系统校正球差；
(2)相位板严格放置于湮灭光扩束系统的前焦面处，湮灭光扩束系统的后焦面严格与物镜入瞳重合，如此为共焦配置，能够使湮灭光的中空区域最小，进入物镜前的贝塞尔区更短，做到更紧凑的光路，减少湮灭光能量分散，在实现超分辨时所需的湮灭光功率更低；
(3)湮灭光滤波系统采用偏振保持光纤，湮灭光路去掉了偏振片和半波片，从而减少对光斑形貌的影响，并能保证出射光为线性偏振光；
(4)激发光和湮灭光各自加入空间滤波，因而聚焦时的光斑形貌最优，能更好控制直写结构的形貌；
(5)采用一对耦合调节反射镜调节合束，满足合束镜对更严格的入射角的要求；
(6)采用相机观察，进行粗略调节，并采用信号探测器观察，进行精细调节，提高调节精度并提高调节效率。
附图说明
图1为本发明的基于GB-STED的深层超分辨激光直写系统的实施例一的示意图；
图2为本发明的基于GB-STED的深层超分辨激光直写系统的实施例二的示意图；
图3为本发明的基于GB-STED的深层超分辨激光直写系统的实施例三的示意图；
图4为本发明的基于GB-STED的深层超分辨激光直写系统的实施例一的实测数据的对比图，其中，(a)本发明的GB-STED的深层超分辨激光直写系统的实测数据，(b)为传统STED超分辨激光直写系统的实测数据。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
实施例一
如图1所示，本实施例的基于GB-STED的深层超分辨激光直写系统包括：激发光光源1、衰减及保护系统2、第一光开关S1、第二光开关S2、激发光扩束滤波系统3、合束调节反射镜EM、合束镜4、湮灭光光源5、可调衰减片6、耦合调节反射镜DM、湮灭光滤波系统7、贝塞尔光束产生及频谱变换系统8、0-2π涡旋相位板9、湮灭光扩束系统10、第一和第二薄膜分束镜11-3和11-6、宽带1/4波片12、物镜13、压电精密三维移动平台、照明系统15、相机11-1以及信号探测器11-4；其中，激发光光源1发出飞秒脉冲光作为激发光；经过一对调高反射镜HM调节激发光的高度，使得激发光至衰减及保护系统2，通过第一光开关S1至激发光扩束滤波系统3，滤除激发光中的高阶模式只剩下基模并对激发光扩束，经一对合束调节反射镜EM调节后入射至合束镜4；依次经过合束镜4以及第一和第二薄膜分束镜11-3和11-6透射，通过宽带1/4波片12变为左旋圆偏振光，由物镜13聚焦至样品上；湮灭光光源5发出连续光，作为湮灭光，主要成分为基模高斯光，经可调衰减片6调节光强后，经一对耦合调节反射镜DM调节后耦合至湮灭光滤波系统7的偏振保持光纤，滤除高阶模式同时保持线性偏振，出射线性偏振的基模高斯光；基模高斯光经贝塞尔光束产生及频谱变换系统8变换成基模高斯贝塞尔光；基模高斯贝塞尔光经0-2π涡旋相位板9改变相位分布形成一阶高斯贝塞尔光束，具有中空区域；经湮灭光扩束系统10扩束，经过合束镜4反射，并经第一和第二薄膜分束镜11-3和11-6透射，经平面镜M反射，通过宽带1/4波片12变为左旋圆偏振光，由物镜13聚焦至位于样品台内的样品上，样品台位于压电精密三维移动平台上；第一光开关S1位于激发光路的激发光扩束滤波系统3前，第二光开关S2位于湮灭光路的湮灭光扩束系统10前，分别调节激发光和湮灭光的曝光时间；在湮灭光路中，0-2π涡旋相位板9严格放置于湮灭光扩束系统10的前焦面处，湮灭光扩束系统10的后焦面严格与物镜13的入瞳重合，如此为共焦配置，能够使湮灭光的中空区域最小；贝塞尔光束产生及频谱变换系统8的后焦面严格与0-2π涡旋相位板9即湮灭光扩束系统10的前焦面重合，如此在物镜13聚焦后才是准直的高斯贝塞尔光，实现光路进入物镜13前的贝塞尔区更短，实现光路紧凑并减少湮灭光能量分散；在调节阶段，将调节样品放置在样品台内，暂时撤下贝塞尔光束产生及频谱变换系统(此时湮灭光最终为一阶拉盖尔高斯光)；照明系统发出照明光至调节样品，使得物镜视野范围明亮且对比度最佳；从调节样品发出的光经第一薄膜分束镜11-3反射由第一透镜11-2聚焦至相机11-1，通过相机11-1观察，通过合束调节反射镜EM粗略调节激发光实现激发光与湮灭光的二维重合；从调节样品的金纳米颗粒散射的光经第二薄膜分束镜11-6反射由第二透镜11-5聚焦至信号探测器11-4，反映激发光和湮灭光聚焦后的光斑形貌，通过分析信号探测器11-4所接收到的信号，通过合束调节反射镜EM精细调节激发光实现激发光和湮灭光的三维重合；分别通过相机11-1观察进行粗略调节和通过信号探测器11-4进行精细调节，调节0-2π涡旋相位板9使得一阶高斯贝塞尔光束的中空区域的光对称且均匀；分别通过相机11-1观察进行粗略调节和通过信号探测器11-4进行精细调节，调节贝塞尔光产生及频谱变换系统，使得一阶高斯贝塞尔光对称、均匀并准直，且与激发光共焦；取下调节样品将直写样品放置在样品台内，以一阶高斯贝塞尔光作为湮灭光，产生的球差非常小，进入直写样品的深层仍能保持中空的形貌，与三维重合的脉冲的激发光，实现深层超分辨双光子直写。
衰减及保护系统2包括隔离器2-1和衰减片2-2。
激发光扩束滤波系统3包括第一前透镜3-1、针孔3-2、第一后透镜3-3和光阑3-4；激发光通过针孔分离基模和各高阶模式，通过光阑遮挡各高阶模式从而实现滤波，同时通过前透镜和后透镜实现扩束。
湮灭光滤波系统7包括前准直器7-1、保偏光纤7-2和后准直器7-3；湮灭光采用偏振保持光纤进行滤波，并能保证出射光为线性偏振光。
湮灭光扩束系统包括第二前透镜10-1和第二后透镜10-2。
样品置于样品台内，样品台14包括前盖玻片14-3、保护侧壁14-2和后盖玻片14-1；其中，在物镜与前盖玻片之间充满蒸馏水14-4，平行的前盖玻片和后盖玻片之间为保护侧壁，围成封闭空间，内部为样品。保护侧壁采用单层或多层胶带。
在本实施例中，贝塞尔光束产生及频谱变换系统8采用角锥镜8-1和频谱变换透镜8-2，通过角锥镜将高斯光转化为高斯贝塞尔光，频谱变换透镜将高斯贝塞尔光变换得到频谱环，经过湮灭光扩束系统使得频谱环的半径为物镜入瞳半径的80％，频谱变换透镜的后焦面落在湮灭光扩束系统的前焦面，湮灭光扩束系统的后焦面落在物镜的前焦面上(即入瞳处)；通过相机和信号探测器观察，精确调节角锥镜和频谱变换透镜的空间位置，使得贝塞尔光束均匀、对称并与激发光共焦，且贝塞尔区平行于光轴方向。
照明系统依次包括白光LED15-1、长通滤色片15-2、第三前透镜15-3和第三后透镜15-4。
在本实施例中，激发光光源为钛蓝宝石振荡器，中心波长780nm，脉宽140fs，重复频率80MHz；湮灭光光源为532nm单纵模激光器。激发光扩束系统将高斯型光斑充满物镜入瞳，湮灭光经过贝塞尔光束产生频谱变换系统与湮灭光扩束系统使得贝塞尔光频谱面半径为物镜入瞳半径80％，角锥镜顶角178°。物镜为60倍平场矫正超消色差水浸物镜，数值孔径1.2，入瞳直径8mm。本实施例直写样品的材料为PETTA(季戊四醇四丙烯酸酯，单体)与DETC(7-二乙氨基-3-噻吩甲酰基香豆素，引发剂)按质量比99.5:0.5调配的混合物，不保证湮灭光波长偏离532nm时的效果(更短则可能带来明显的副反应，更长则可能材料不响应)，但是可以将连续光改为脉冲光，条件是脉冲宽度远大于100fs(否则可能会引起副反应)，且激发光与湮灭光需要保证时序同步(否则材料不响应)。相机采用CCD，信号探测器采用雪崩二极管。本实施例中，合束镜为长通滤波片，透过激发光，反射湮灭光。
图4展现本实施例(GB-STED)与传统超分辨激光直写(LG-STED)实际效果的对比图。在表层具有同样超分辨加工能力的前提下(激发光功率6.3mW，湮灭光功率8mW，扫描速度40um/s时所得超分辨线宽100nm，本发明中激光功率均在物镜入瞳前测量)，本发明在50-200um范围内均能达到140nm的最小线宽(激发光功率7.6mW，湮灭光功率4mW，扫描速度40um/s，激发光功率提高是为了补偿激光深入样品时的能量损失)，而LG-STED已退化到180nm(激发光功率7.6mW，湮灭光功率8mW，扫描速度40um/s)，可见本发明的深层超分辨能力更优。同时，分别达到上述超分辨线宽时，本发明仅需4mW的湮灭光功率，而传统的设置需要8mW，因而本发明的能量消耗更低。图4中，横坐标为湮灭光功率(单位mW)，纵坐标为线宽(单位nm)，不同形状的点代表不同深度(单位um)的实测数据，线为拟合线。
实施例二
在本实施例中，贝塞尔光束产生及频谱变换系统采用空间光调制器8-3、挡板8-4和频谱变换透镜8-2。其他同实施例一。
实施例三
在本实施例中，合束镜的工作波段不同于实施例一，合束镜为短通滤波片，反射激发光，透射湮灭光。其他同实施例一。
实施例四
在本实施例中，CCD相机与信号探测器位置交换，其他同实施例一。
最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种基于GB-STED的深层超分辨激光直写系统，其特征在于，所述基于GB-STED的深层超分辨激光直写系统包括：激发光光源、衰减及保护系统、第一和第二光开关、激发光扩束滤波系统、合束调节反射镜、合束镜、湮灭光光源、可调衰减片、耦合调节反射镜、湮灭光滤波系统、贝塞尔光束产生及频谱变换系统、0-2π涡旋相位板、湮灭光扩束系统、第一和第二薄膜分束镜、宽带1/4波片、物镜、压电精密三维移动平台、照明系统、相机以及信号探测器；其中，激发光光源发出飞秒脉冲光作为激发光；激发光经衰减及保护系统后，通过第一光开关至激发光扩束滤波系统，滤除激发光中的高阶模式只剩下基模并对激发光扩束，经一对合束调节反射镜调节后入射至合束镜；依次经过合束镜以及第一和第二薄膜分束镜，或者第二和第一薄膜分束镜，通过宽带1/4波片变为圆偏振光，由物镜聚焦至位于样品台内的样品上，样品台位于压电精密三维移动平台上；湮灭光光源发出连续光，作为湮灭光，主要成分为基模高斯光，经可调衰减片调节光强后，经一对耦合调节反射镜调节后耦合至湮灭光滤波系统的偏振保持光纤，滤除高阶模式同时保持线性偏振，出射线性偏振的基模高斯光；基模高斯光经贝塞尔光束产生及频谱变换系统变换成基模高斯贝塞尔光；基模高斯贝塞尔光经0-2π涡旋相位板改变相位分布形成一阶高斯贝塞尔光束，具有中空区域；经湮灭光扩束系统扩束，依次经过合束镜以及第一和第二薄膜分束镜，或者第二和第一薄膜分束镜，通过宽带1/4波片变为圆偏振光，由物镜聚焦至样品上；第一光开关位于激发光路的激发光扩束滤波系统前，第二光开关位于湮灭光路的湮灭光扩束系统前，分别调节激发光和湮灭光的曝光时间；在湮灭光路中，0-2π涡旋相位板严格放置于湮灭光扩束系统的前焦面处，湮灭光扩束系统的后焦面严格与物镜的入瞳重合，形成共焦配置，能够使湮灭光的中空区域最小；贝塞尔光束产生及频谱变换系统的后焦面严格与0-2π涡旋相位板即湮灭光扩束系统的前焦面重合，从而在物镜聚焦后形成准直的高斯贝塞尔光，实现光路进入物镜前的贝塞尔区更短，实现光路紧凑并减少湮灭光能量分散；在调节阶段，将调节样品放置在样品台内，调节样品具有散射颗粒，暂时撤下贝塞尔光束产生及频谱变换系统；照明系统发出照明光至调节样品，使得物镜视野范围明亮且对比度最佳；从调节样品散射的光经物镜收集原路返回，经第一薄膜分束镜至相机，通过相机观察，通过合束调节反射镜粗略调节激发光实现激发光与湮灭光的二维重合；通过压电精密三维移动平台三维移动样品台，从调节样品上的散射颗粒散射的光经第二薄膜分束镜至信号探测器，反映激发光和湮灭光聚焦后的光斑形貌，通过分析信号探测器所接收到的信号，通过合束调节反射镜精细调节激发光实现激发光和湮灭光的三维重合；分别通过相机观察进行粗略调节和通过信号探测器进行精细调节，调节0-2π涡旋相位板使得一阶拉盖尔高斯光束的中空区域的光对称且均匀；放上贝塞尔光束产生及频谱变换系统，分别通过相机观察进行粗略调节和通过信号探测器进行精细调节，调节贝塞尔光产生及频谱变换系统，使得一阶高斯贝塞尔光对称、均匀并准直，且与激发光共焦；取下调节样品将直写样品放置在样品台内，以一阶高斯贝塞尔光作为湮灭光，产生的球差非常小，进入直写样品的深层仍能保持中空的形貌不变形，与三维重合的脉冲的激发光，实现深层超分辨双光子直写。
2.如权利要求1所述的基于GB-STED的深层超分辨激光直写系统，其特征在于，所述激发光光源发出脉冲激光，中心波长为500～780nm；脉冲宽度为100～400fs；重复频率为1kHz～100MHz。
3.如权利要求1所述的基于GB-STED的深层超分辨激光直写系统，其特征在于，所述衰减及保护系统包括隔离器和衰减片。
4.如权利要求1所述的基于GB-STED的深层超分辨激光直写系统，其特征在于，所述激发光扩束滤波系统包括第一前透镜、针孔、第一后透镜和光阑；激发光通过针孔分离基模和各高阶模式，通过光阑遮挡各高阶模式从而实现滤波，同时通过第一前透镜和第一后透镜实现扩束。
5.如权利要求1所述的基于GB-STED的深层超分辨激光直写系统，其特征在于，所述湮灭光滤波系统包括前准直器、偏振保持光纤和后准直器；湮灭光采用偏振保持光纤进行滤波，并能保证出射光为线性偏振光。
6.如权利要求1所述的基于GB-STED的深层超分辨激光直写系统，其特征在于，所述贝塞尔光束产生及频谱变换系统采用角锥镜和频谱变换透镜，通过角锥镜将高斯光转化为高斯贝塞尔光，频谱变换透镜将高斯贝塞尔光变换得到频谱环，经过湮灭光扩束系统使得频谱环的半径为物镜入瞳半径的70～90％，频谱变换透镜的后焦面落在湮灭光扩束系统的前焦面，湮灭光扩束系统的后焦面落在物镜的前焦面上；通过相机和信号探测器分别观察，调节角锥镜和频谱变换透镜的空间位置，使得贝塞尔光束均匀、对称并与激发光共焦，且贝塞尔区平行于光轴方向；或者，贝塞尔光束产生及频谱变换系统采用空间光调制器、挡板和频谱变换透镜。
7.如权利要求1所述的基于GB-STED的深层超分辨激光直写系统，其特征在于，还包括一对调节光高反射镜，所述调节光高反射镜设置在激发光路的激发光光源后，调节激发光的高度。
8.如权利要求1所述的基于GB-STED的深层超分辨激光直写系统，其特征在于，所述样品台包括前盖玻片、保护侧壁和后盖玻片；其中，在物镜与前盖玻片之间充满蒸馏水，平行的前盖玻片和后盖玻片之间为保护侧壁，围成封闭空间，内部为样品。
9.一种如权利要求1所述的基于GB-STED的深层超分辨激光直写系统的实现方法，其特征在于，所述实现方法包括以下步骤：
1)激激发光光源发出飞秒脉冲光作为激发光；
2)激发光经衰减及保护系统后，通过第一光开关至激发光扩束滤波系统，滤除激发光中的高阶模式只剩下基模并对激发光扩束，经一对合束调节反射镜调节后入射至合束镜；
3)依次经过合束镜以及第一和第二薄膜分束镜，或者第二和第一薄膜分束镜，通过宽带1/4波片变为圆偏振光，由物镜聚焦至位于样品台内的样品上，样品台位于压电精密三维移动平台上；
4)湮灭光光源发出连续光，作为湮灭光，主要成分为基模高斯光，经可调衰减片调节光强后，经一对耦合调节反射镜调节后耦合至湮灭光滤波系统的偏振保持光纤，滤除高阶模式同时保持线性偏振，出射线性偏振的基模高斯光；
5)基模高斯光经贝塞尔光束产生及频谱变换系统变换成基模高斯贝塞尔光；
6)基模高斯贝塞尔光经0-2π涡旋相位板改变相位分布形成一阶高斯贝塞尔光束，具有中空区域；
7)经湮灭光扩束系统扩束，依次经过合束镜以及第一和第二薄膜分束镜，或者第二和第一薄膜分束镜，通过宽带1/4波片变为圆偏振光，由物镜聚焦至样品上；
8)第一光开关位于激发光路的激发光扩束滤波系统前，第二光开关位于湮灭光路的湮灭光扩束系统前，分别调节激发光和湮灭光的曝光时间；在湮灭光路中，0-2π涡旋相位板严格放置于湮灭光扩束系统的前焦面处，湮灭光扩束系统的后焦面严格与物镜的入瞳重合，形成共焦配置，能够使湮灭光的中空区域最小；贝塞尔光束产生及频谱变换系统的后焦面严格与0-2π涡旋相位板即湮灭光扩束系统的前焦面重合，从而在物镜聚焦后形成准直的高斯贝塞尔光，实现进入物镜前的贝塞尔区更短，实现光路紧凑并减少湮灭光能量分散；
9)在调节阶段，将调节样品放置在样品台内，调节样品具有散射颗粒，暂时撤下贝塞尔光束产生及频谱变换系统；
10)照明系统发出照明光至调节样品，使得物镜视野范围明亮且对比度最佳；
11)从调节样品散射的光经物镜收集原路返回，经第一薄膜分束镜至相机，通过相机观察，通过合束调节反射镜粗略调节激发光实现激发光与湮灭光的二维重合；
12)通过压电精密三维移动平台三维移动样品台，从调节样品上的散射颗粒散射的光经第二薄膜分束镜至信号探测器，反映激发光和湮灭光聚焦后的光斑形貌，通过分析信号探测器所接收到的信号，通过合束调节反射镜精细调节激发光实现激发光和湮灭光的三维重合；
13)分别通过相机观察进行粗略调节和通过信号探测器进行精细调节，调节0-2π涡旋相位板使得一阶拉盖尔高斯光束的中空区域的光对称且均匀；
14)放上贝塞尔光束产生及频谱变换系统，分别通过相机观察进行粗略调节和通过信号探测器进行精细调节，调节贝塞尔光产生及频谱变换系统，使得一阶高斯贝塞尔光对称均匀并准直，且与激发光共焦；
15)取下调节样品将直写样品放置在样品台内，以一阶高斯贝塞尔光作为湮灭光，产生的球差非常小，进入直写样品的深层仍能保持中空的形貌不变形，与三维重合的脉冲的激发光，实现深层超分辨双光子直写。
10.如权利要求9所述的实现方法，其特征在于，在步骤14)中，通过角锥镜将高斯光转化为高斯贝塞尔光，频谱变换透镜将高斯贝塞尔光变换得到频谱环，经过湮灭光扩束系统使得频谱环的半径为物镜入瞳半径的70～90％，频谱变换透镜的后焦面落在湮灭光扩束系统的前焦面，湮灭光扩束系统的后焦面落在物镜的前焦面上；通过相机和信号探测器分别观察，调节角锥镜和频谱变换透镜的空间位置，使得贝塞尔光束均匀、对称并与激发光共焦，且贝塞尔区平行于光轴方向。
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