CN113281832A - 光片生成器、光纤以及成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光片生成器，其包括被配置为对具有预定波长的光进行衍射的超表面，所述超表面包括分别位于一基准线的两侧的第一微纳结构和第二微纳结构，所述第一微纳结构和第二微纳结构各自包括多个微纳单元，并构造成对入射第一微纳结构和第二微纳结构的光引入相位变化，以使得经过第一微纳结构衍射的光与经过第二微纳结构衍射的光在预定的片状区域中干涉相长，从而生成光片。本发明还公开了一种用于与超表面配合使用的光纤和一种具有上述光片生成器的光学显微成像装置。根据本发明，利用超表面体积小、光场调控能力强的特点，能够至少部分地克服现有光片生成系统体积大、集成难的问题。
Description
技术领域
本发明涉及基于超表面的光学技术，具体而言，涉及一种基于超表面的光片生成器、用于所述光片生成器的光纤、以及具有所述光片生成器的成像系统。
背景技术
近年来人们提出了超表面(Metasurface)的新概念。超表面是一种能够调控光束波前的平面型结构，其由密集排列的微纳单元构成，每个单元结构均具有亚波长(小于光的波长)的尺寸。对于光波段，亚波长意味着尺寸在微米或纳米尺度。因此构成超表面的结构可以称之为微纳结构。一方面，超表面具有强大的光场操控能力，而且具有低损耗、易集成、制备工艺简单等优势，这使其具有广阔的应用前景；另一方面，超表面的新的应用还有待于人们不断探索。
与此同时，光束整形技术广泛地用于不同领域中。根据领域的不同，整形后的光束可以具有不同的形态，例如平顶光束、艾里光束等等。在荧光显微成像技术以及医学成像等领域中，光片(light sheet)有着不可替代的作用。现有的光片形成技术一般建立在柱透镜基础上，其中如图1示意性地示出的，入射光束经过柱透镜a在空间上会聚形成线状光源；通常以该线状光源聚焦位置为中心的两个瑞利距离的范围内的光斑被作为片状光束使用，例如在荧光显微成像系统中用作照明用光片。然而，本发明的发明人发现，基于柱透镜的光片形成装置体积较大、难于集成，在一些环境下难以实施。因此，需要一种新的光片形成技术。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于超表面的光片形成技术，以至少部分地克服现有的光片形成技术中的不足。
根据本发明的一个方面，提供了一种光片生成器，其包括被配置为对具有预定波长的光进行衍射的超表面，所述超表面包括分别位于一基准线的两侧的第一微纳结构和第二微纳结构，所述第一微纳结构和第二微纳结构各自包括多个微纳单元，并构造成对入射第一微纳结构和第二微纳结构的光引入相位变化，以使得经过第一微纳结构衍射的光与经过第二微纳结构衍射的光在预定的片状区域中干涉相长，从而生成光片。
优选，所述片状区域大致垂直于所述超表面而延伸。
优选，所述光片具有长度l、宽度w和厚度d，且l≥2d，w≥2d，所述光片在其厚度方向上的半高全宽小于等于10μm，优选小于等于2μm。
在一些实施例中，所述第一微纳结构与所述第二微纳结构中位于关于所述基准线对称的位置上的微纳单元分别引入的第一相位变化δ1和第二相位变化δ2，满足δ1＝δ2。
在另一些实施例中，所述第一微纳结构与所述第二微纳结构中位于关于所述基准线对称的位置上的微纳单元分别引入的第一相位变化δ1和第二相位变化δ2，满足δ1-δ2＝(2m+1)π，其中m为整数。
所述第一微纳结构与所述第二微纳结构可以构造为分别对入射其中的光进行衍射并形成两个平面波。
或者，所述第一微纳结构与所述第二微纳结构可以构造成分别对入射其中的光进行衍射并形成两个曲面波，并且优选地，所述两个曲面波的波阵面在垂直于所述基准线的横截面中的截线具有随着远离所述基准线而逐渐减小的切线斜率。
优选地，所述第一微纳结构和第二微纳结构的所述多个微纳单元在垂直于所述基准线的方向上以第一周期间隔排布。所述第一微纳结构的多个微纳单元可以构成沿着所述基准线的方向以第二周期间隔排布的多个第一微纳单元组，并且所述第二微纳结构的多个微纳单元可以构成沿着所述基准线的方向以第二周期间隔排布的多个第二微纳单元组。优选地，所述多个第一微纳单元组具有相同的结构；所述多个第二微纳单元组也具有相同的结构。此外，所述第一周期优选等于所述第二周期。
优选地，所述光片生成器还包括光纤，所述超表面设置在所述光纤的出射端面上，从所述光纤出射的光经过所述超表面的衍射生成所述光片。所述光纤优选具有有着扁长形状横截面的纤芯。
优选地，所述光纤构造为在所述出射端面形成具有不止一个光强极值的出射光，所述出射光的光强分布关于所述基准线对称，并且所述出射光入射到所述第一微纳结构和所述第二微纳结构上。为此，所述光纤可以具有不止一个纤芯并且/或者所述光纤的至少一个纤芯具有高阶模。
优选地，所述光纤具有关于所述基准线对称的两个纤芯，并且所述两个纤芯具有扁长形状的横截面。
在一些有利的实施例中，所述超表面还可以包括至少一个辅助微纳结构，所述至少一个辅助微纳结构包括多个微纳单元并构造成对入射辅助微纳结构的光引起相位变化，以使得经过所述至少一个辅助微纳结构衍射的光在所述片状区域的至少部分区域中引起干涉，从而调整所述光片的光强分布。所述至少一个辅助微纳结构可以至少在所述片状区域的局部区域中引起干涉相长，从而提高该局部区域中的光强。作为替代或补充，所述至少一个辅助微纳结构可以至少在所述片状区域的局部区域中引起干涉相消，从而降低该局部区域中的光强。
优选地，所述至少一个辅助微纳结构至少包括第三微纳结构和第四微纳结构，它们的位置关于所述基准线是对称的。
在一些实施例中，所述第三微纳结构与所述第四微纳结构中位于关于所述基准线对称的位置上的微纳单元分别引入的第三相位变化δ3和第四相位变化δ4，满足δ3＝δ4。
在另一些实施例中，所述第三微纳结构与所述第四微纳结构中位于关于所述基准线对称的位置上的微纳单元分别引入的第三相位变化δ3和第四相位变化δ4，满足δ3-δ4＝(2n+1)π，其中n为整数。
优选，所述第三微纳结构和第四微纳结构相对于所述基准线分别布置在所述第一微纳结构和第二微纳结构的外侧。
在一些有利的实施例中，所述光片生成器还可以包括光纤，所述超表面设置在所述光纤的出射端面上，所述光纤构造为在所述出射端面形成具有不止一个光强极值的出射光，所述出射光入射所述第一微纳结构、第二微纳结构和所述至少一个辅助微纳结构。为此，所述光纤可以具有不止一个纤芯并且/或者所述光纤的至少一个纤芯具有高阶模。
在一些实施例中，所述光纤可以具有与所述超表面的第一微纳结构和第二微纳结构对应的至少一个主纤芯和与所述超表面的至少一个辅助微纳结构对应的至少一个辅纤芯。
优选地，所述至少一个辅纤芯包括关于所述基准线对称设置的至少两个辅纤芯。
优选地，所述至少一个主纤芯包括关于所述基准线对称设置的两个主纤芯。
优选地，所述光纤具有关于所述基准线对称设置的两个扁长形状横截面的主纤芯和关于基准线对称设置且位于所述两个主纤芯外侧的两个扁长形状横截面的辅纤芯。
在一些实施例中，所述多个微纳单元直接形成在所述光纤的出射端面上，并且构造为在所述光纤的轴向上具有相同高度，在垂直于所述光纤的轴向的至少一个方向上具有不同尺寸的微纳米柱体。
根据本发明的另一个方面，还提供一种用于与超表面配合使用的光纤，其构造为能够在出射端面形成具有不止一个光强极值的出射光。为此，所述光纤可以具有不止一个纤芯并且/或者所述光纤的至少一个纤芯具有高阶模。
优选，所述光纤的纤芯关于一基准线对称。
在一些实施例中，所述光纤具有关于所述基准线对称的两个纤芯，并且所述两个纤芯具有扁长形状的横截面。
在一些实施例中，所述光纤具有至少一个主纤芯和至少两个辅纤芯，所述至少一个主纤芯关于所述基准线对称，所述至少两个辅纤芯关于所述基准线对称设置且位于所述主纤芯外侧。优选地，所述至少一个主纤芯包括关于所述基准线对称设置的两个主纤芯。
在一些实施例中，所述光纤具有关于所述基准线对称设置的两个扁长形状横截面的主纤芯和关于基准线对称设置且位于所述两个主纤芯外侧的两个扁长形状横截面的辅纤芯。
优选地，所述主纤芯的横截面大于所述辅纤芯的横截面。
根据本发明的另一个方面，还提供了一种光学显微成像装置，包括照明系统和探测系统，其中，所述照明系统包括如上所述的光片生成器。所述光学显微成像装置可以为荧光显微成像装置，其中所述光片生成器所生成的光片被投射到样本上以激发荧光。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为利用柱透镜形成光片的现有技术示意图；
图2为根据本发明实施例的光片生成器的一种示例的示意图；
图3为根据本发明实施例的光片生成器的另一种示例的示意图；
图4为可用于根据本发明实施例的光片生成器的光纤的若干示例的结构示意图；
图5为可用于光片生成器的微纳单元的示意图；
图6为根据本发明实施例的、基于平面波干涉的光片生成器的光学原理示意图；
图7为可用于根据本发明实施例的光片生成器的光纤出射光模式的两个示例的示意图；
图8为根据本发明第一实施例的光片生成器的超表面所引入的相位变化的示意图；
图9为根据本发明第一实施例的光片生成器的超表面微纳结构排布的一个示例的局部示意图；
图10示出了具有图9所示微纳结构的光片生成器所形成的光片的仿真结果；
图11示出了根据本发明第二实施例的光片生成器的超表面所引入的相位变化的示意图；
图12为根据本发明第二实施例的光片生成器的超表面微纳结构排布的一个示例的局部示意图；
图13为根据本发明第三实施例的光片生成器的超表面微纳结构排布的一个示例的局部示意图；
图14示出了具有图13所示微纳结构的光片生成器所形成的多光片的仿真结果；
图15为根据本发明实施例的光片生成器基于曲面波干涉形成光片的一种情形的示意图；
图16为根据本发明实施例的光片生成器基于曲面波干涉形成光片的另一种情形的示意图；
图17示意性地示出了图16所示光片生成器的超表面所引入的相位变化的一种情形，此时入射到第一和第二微纳结构上的光具有相同相位；
图18示意性地示出了基于曲面波的光片生成器的超表面所引入的相位变化的另一种情形，此时入射到第一和第二微纳结构上的光的相位相差π；
图19为根据本发明第四实施例的具有辅助微纳结构的光片生成器的示意图；
图20示意性地示出了图19所示光片生成器中的光纤的结构及其出射光；
图21为图19所示光片生成器的超表面所引入的相位变化的一个示例的示意图；
图22为图19所示光片生成器的超表面微纳结构排布的一个示例的局部示意图；
图23示出了具有图22所示微纳结构的光片生成器所形成的光片的仿真结果，其中示出了在x-z平面以及y-z平面中的光强分布；
图24示出了具有图22所示微纳结构的光片生成器所形成的光片的仿真结果，其中示出了沿着z轴以及沿着x轴的光强分布；
图25和图26示出了根据本发明第四实施例对比例的光片生成器所形成的光片的仿真结果，其中图25示出了在x-z平面中的光强分布，图26示出了沿z轴的光强分布；以及
图27示意性地示出了根据本发明实施例的光学显微成像装置。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
首先，参照图2和图3概述根据本发明实施例的光片生成器。如图2和图3所示，根据本发明实施例的光片生成器1包括被配置为对具有预定波长的光进行衍射的超表面10，超表面10包括分别位于基准线10a的两侧的第一微纳结构11和第二微纳结构12，第一微纳结构11和第二微纳结构12各自包括多个微纳单元10b。这里，预定波长可以是一定的波长，也可以是一定的波长范围。如下文中将结合更多附图详细介绍的，根据本发明实施例，第一微纳结构11和第二微纳结构12所包括的多个微纳单元10b构造成对入射第一微纳结构11和第二微纳结构12的光引入相位变化，以使得经过第一微纳结构11衍射的光与经过第二微纳结构12衍射的光在预定的片状区域中干涉相长，从而生成光片LS(见图5、图15、图16、图19)。光片LS优选大致垂直于超表面10而延伸。
在一些实施例中，假设光片LS具有长度l、宽度w和厚度d，则优选满足l≥2d，w≥2d。此外，光片LS在其厚度方向上的半高全宽(FWHM)小于等于10μm，优选小于等于2μm。
在图2所示示例中，超表面10形成在专门提供的例如片状的基底1a上。基底1a起到承托作用，基底优选由对于光片生成器的工作波长无显著吸收的材料形成。使用时，可以在光片生成器1的与超表面10相反的一侧照射具有预定工作波长的光，所述光透射经过基底1a，被超表面10中第一微纳结构11和第二微纳结构12的微纳单元10b所调制相位，经调制相位的光在片状区域中干涉相长，形成光片。
图3示出了一种优选的示例，其中，不再提供专门的基底1a，而是将超表面10直接形成在光纤20的出射端面上，使得从光纤20出射的光经过超表面10的衍射而生成光片。超表面10可以至少部分地覆盖在光纤20的纤芯21的端面上。应该理解，本发明在此方面不受限制。
超表面10与光纤20集成，有利于充分结合利用超表面体积小、光场调控能力强和光纤柔韧性好等优势。将超表面10与光纤20集成构成根据本发明实施例的光片生成器1，可以不需要严格的空间准直、耦合光路，有利于获得高分辨率、集成度高、结构微小、操作灵活、系统稳定和抗干扰能力强等优点，克服了传统光片生成系统体积大、难以集成的缺点。
根据本发明实施例，用于光片生成器1的光纤可以具有不同结构以及不同种类。如图4所示，可以采用传统的单模光纤、少模光纤、多模光纤(见图4的(a)部分所示)，也可以采用专门设计的光纤(见图4的(b)、(c)、(d)部分所示)。优选，光线20的纤芯21具有轴对称的特点。此外，如图4所示，用于根据本发明实施例的光片生成器1的专门设计的光纤优选具有有着扁长形状横截面的纤芯。
为了便于形成更加“锐利”以及/或者均匀的光片，优选地，光纤20构造为能够在出射端面形成具有不止一个光强极值的出射光，出射光的光强分布关于基准线10a对称，并且入射到第一微纳结构11和第二微纳结构12上。具有不止一个光强极值的出射光可以通过例如具有不止一个纤芯的光纤以及或者至少一个纤芯具有高阶模的光纤来实现。在一些优选实施例中，如图4的(b)、(c)、(d)部分所示，光纤20可以具有关于基准线10a(图4中未示出)对称的两个纤芯20B、20C、20D，并且两个纤芯20B、20C、20D具有扁长形状的横截面。然而，应该理解，图4所示仅为可用于根据本发明实施例的光片生成器的光纤的若干示例，本发明在此方面不受限制。此外，下文中也将结合具体实施例介绍可用于光片生成器1的光纤的其它示例。
超表面10中通过在不同位置设置不同的微纳单元10b，引入相位变化，从而对超表面10出射的波前实现调控。图5示意性地示出为可用于根据本发明实施例的光片生成器的微纳单元的若干示例。如图5所示，用于超表面10的微纳单元10b可以构造为柱体(如图5中的(a)、(b)、(c)、(d)、(e)部分所示)，也可以构造为凹槽结构(如图5中的(f)部分所示)。通常用于超表面的微纳单元在垂直于超表面的方向上具有一致的高度H，而通过控制微纳单元的长度L和宽度W来调整微纳单元对相位的影响。
在不同实施例中，可以根据微纳单元的形状不同，使得光片生成器具有或不具有偏振选择性。当采用横截面为诸如长方形、椭圆形等一个方向与另一个方向上尺寸不同的形状的微纳单元时，可以通过改变微纳单元横截面在一个方向上的尺寸而保持另一个方向上尺寸不变(例如仅改变不同微纳单元横截面的长方形长度或者宽度，或仅改变椭圆形的长轴或短轴)，只对在发生尺寸改变的方向上偏振的入射光产生相位调制，从而实现相位调制的偏振选择性。相反，当采用横截面为诸如正方形或圆形等在两个方向上尺寸一样的形状的微纳单元时，通过同样地改变两个方向上的尺寸(例如改变正方形的边长或圆形的半径)，可对两个方向上偏振的光都实现相位调控。换句话说，可实现不具有偏振选择性的相位调制。
柱体结构的微纳单元可以选用例如包括但不限于：Si(硅)、SiN(氮化硅)、Ge(锗)、TiO2(二氧化钛)等电介质材料；Au(金)、Ag(银)、Cu(铜)等金属材料；以及液晶、ITO(氧化铟锡)、铌酸锂等可调谐材料。
下面将以第一微纳结构11和第二微纳结构12分别形成平面波和分别形成曲面波为例，结合具体的实施例，更加详细地介绍光片生成器1的不同实现方式。应该理解的是，基于平面波和曲面波的光片生成器实现方式仅仅是示例，只要能够在目标的片状区域中形成干涉相长，根据本发明实施例的光片生成器1的第一微纳结构11和第二微纳结构12可以分别对光波前进行各种不同的相位调制。
图6为基于平面波干涉的光片生成器光学原理示意图。如图6所示，光入射到光片生成器的超表面10，经过第一微纳结构11和第二微纳结构12的衍射，分别形成具有相对于超表面10倾斜的波阵面wf1、wf2的两个平面波。附图标记“v1”、“v2”表示光的传播方向，亦即波矢方向。第一微纳结构11和第二微纳结构12构造为使得在预定片状区域中相遇的两个波阵面的相位相同或者相位差为2π的整数倍，使得两者干涉相长，从而形成光片LS。
根据本发明实施例，优选地，光片生成器的超表面根据具有平面波前的入射光来设计。以下结合附图介绍的具体实施例均以具有平面波前的入射光为例，但是本领域技术人员应该理解，本发明在这方面并不受限制。
【第一实施例】
以下参照图7至图10介绍根据本发明第一实施例的光片生成器，该光片生成器包括光纤和形成在光纤出射端面上的超表面，其基于如图6所示的平面波干涉而形成光片。
在本实施例中，光纤以具有直径25μm的圆形纤芯的少模光纤为例，选取的出射光模式为基模(如图7中(a)部分所示)，并且入射到超表面的第一微纳结构和第二微纳结构上的光具有相同相位。
假设超表面10所在的平面中，垂直于基准线10a的方向为x方向，以基准线10a为y轴，则根据第一实施例，光片生成器的超表面在垂直于基准线10a的方向(x方向)上的多个微纳单元10b所引入的相位变化如图8所示，其中x大于零的部分对应于第一微纳结构111(见图9)的微纳单元所引入的相位变化，x小于零的部分对应于第二微纳结构112(见图9)的微纳单元所引入的相位变化。可以看到，第一微纳结构111和第二微纳结构112引入的相位变化是关于基准线10a对称的，各微纳结构所引入的相位变化以2π为周期重复，并且在每一个2π的相位变化周期内，微纳单元10b离基准线10a的距离与微纳单元所引入的相位变化的大小之间成线性比例关系。
根据本实施例，如果针对波长为1550nm的入射光来设计不具有偏振态选择性的光片生成器，仅作为示例而非限制性地，微纳单元10b可以采用由硅材料形成的横截面为正方形的柱体，柱体的高度均为1000nm，微纳单元10b的横截面边长变化以实现对相位的调控。根据第一实施例的光片生成器的超表面微纳结构排布的一个示例如图9所示，其中第一微纳结构111与第二微纳结构112关于基准线(y轴)对称分布，从而第一微纳结构111与第二微纳结构112中位于关于基准线对称的位置上的微纳单元10b分别引入的第一相位变化δ1和第二相位变化δ2，满足δ1＝δ2。在图9所示示例中，相邻微纳单元10b的之间的距离为900nm(即沿x方向和沿y方向具有相同的900nm的排布周期)，并采用八种不同尺寸的微纳单元10b来覆盖/模拟一个2π周期内的相位变化，这八种尺寸的微纳单元10b的正方形横截面的边长及引入的相位变化如表1所示：
表1：
| 序号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
| 相位/rad | 0.38 | 1.18 | 1.89 | 2.72 | 3.49 | 4.34 | 5.14 | 5.89 |
| 边长/nm | 150.0 | 255.0 | 279.0 | 291.0 | 301.0 | 313.5 | 324.0 | 345.5 |
在图9所示示例中，可以看到，第一微纳结构111的多个微纳单元10b构成沿着基准线的方向(y方向)周期间隔排布的多个第一微纳单元组111i，第二微纳结构112的多个微纳单元10b构成沿着基准线的方向(y方向周期间隔排布的多个第二微纳单元组112j，并且多个第一微纳单元组111i具有相同的结构，多个第二微纳单元组112j也具有相同的结构。这样，沿y方向重复排列第一微纳单元组和第二微纳单元组即可形成光片生成器的超表面整体微纳结构的设计，有利于简化设计和制造。然而，应该理解的是，本发明并不限于多个第一微纳单元组具有相同结构并且/或者多个第二微纳单元组具有相同结构的构造。例如，根据本发明实施例的光片生成器的超表面可以具有例如大致圆形的形状，从而沿y方向排列的多个第一或第二微纳单元组可能具有数量不同的微纳单元，从而具有不同构造。
此外，应该注意的是，尽管示例中，根据本发明实施例的光片生成器的超表面中的多个微纳单元沿x方向排布的周期与沿y方向排布的周期是相同的，但是在其它一些示例中，它们也可以是不同的。
图10示出了具有图9所示微纳结构的光片生成器所形成的光片在x-z平面上的光场强度仿真结果，其中光片在垂直于基准线方向(x方向)上厚度d约为2μm，在垂直于超表面的方向(z方向)上的长度l约为8μm。
【第二实施例】
以下将参照图11和图12介绍根据本发明第二实施例的光片生成器。
本发明第二实施例与第一实施例的不同之处在于，在第一实施例中，如以上介绍的，入射到光片生成器的超表面第一微纳结构111和第二微纳结构112中的光具有相同相位；而在第二实施例中，入射到第一微纳结构211和第二微纳结构212中的光的相位相差π。相应地，根据第二实施例的光片生成器的超表面所引入的相位变化如图11所示，其中，第一微纳结构211所引入的相位变化相比于如图8所示的根据第一实施例的光片生成器的超表面中的第一微纳结构111引入的相位变化，发生了大小为π的错位。
这样，光入射到根据第二实施例的光片生成器的超表面，经过第一微纳结构211和第二微纳结构212的衍射，仍旧分别形成具有相对于超表面倾斜的波阵面的两个平面波，且在预定片状区域中相遇的两个波阵面的相位相同或者相位差为2π的整数倍，使得两者干涉相长，形成光片LS。
仅作为示例而非限制性的，图12示出了根据第二实施例的光片生成器的超表面微纳结构排布的一个示例的局部。图12所示示例中采用了与图9所示示例中相同的微纳单元形状、尺寸和排布间距，不同之处在于，第一微纳结构211和第二微纳结构212相对于基准线(y轴)不具备对称性，第一微纳结构211与第二微纳结构212中的微纳单元排布成使得位于关于基准线对称的位置上的微纳单元所分别引入的第一相位变化δ1和第二相位变化δ2满足δ1-δ2＝(2m+1)π，其中m为整数。
在基于平面波干涉的根据本发明实施例的光片生成器中，可以通过改变微纳结构中的微纳单元的结构和排布周期等来调控出射波阵面相对于超表面的斜率，斜率越小，在空间上形成的光片越大。
【第三实施例】
在基于平面波干涉的根据本发明实施例的光片生成器中，当增大出射波阵面的斜率时，由于对称轴两侧的光在空间干涉区域较大而会形成多光片。以下将参照图13和14介绍根据本发明第三实施例的基于平面波干涉形成多个光片的光片生成器。
图13示出了根据本发明第三实施例的光片生成器的超表面微纳结构排布的一个示例的局部。这里假设采用波长为1550nm波长的光；入射到第一微纳结构311和第二微纳结构312的光的相位相差π；微纳单元10b采用由硅材料形成的横截面为正方形的柱体，柱体的高度均为1000nm。在图13所示示例中，相邻微纳单元10b的之间的距离为600nm(即沿x方向和沿y方向具有相同的600nm的排布周期)，并采用八种不同尺寸的微纳单元10b来覆盖/模拟一个2π周期内的相位变化，这八种尺寸的微纳单元10b的正方形横截面的边长及引入的相位变化如表2所示：
表2：
| 序号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
| 相位/rad | 4.69 | 5.58 | 0.19 | 0.98 | 1.61 | 2.36 | 3.12 | 3.90 |
| 边长/nm | 150.0 | 240.0 | 270.0 | 290.0 | 301.0 | 313.5 | 324.0 | 345.5 |
这样，根据本发明第三实施例的光片生成器的超表面在垂直于基准线10a的方向(x方向)上的多个微纳单元10b所引入的相位变化依然如图8所示。
如图14所示，具有图13所示微纳结构的光片生成器在空间上形成多个分离的光片。
应该注意的是，用来覆盖/模拟一个2π周期内的相位变化的不同微纳单元的数量是可以任意选择的。例如，可以采用例如表1所示的八种不同尺寸的微纳结构来覆盖2π的相位，也可以采取更多或者更少的微纳结构来对2π进行覆盖，例如16种、32种或3种等等。本发明在这方面不受限制。
以下介绍根据本发明实施例基于曲面波干涉的光片生成器。图15中以虚线示出的波阵面wf0为聚焦到焦点P的球面波波阵面。为了在预定片状区域中干涉相长从而形成光片LS，根据本发明实施例，经过第一微纳结构11和第二微纳结构12分别形成的曲面波波阵面，第一波阵面wf1和第二波阵面wf2，偏离球面波波阵面，并使得两个波阵面wf1、wf2在预定片状区域中相遇时相位相同或者相位差为2π的整数倍，从而得两者干涉相长，形成光片LS。
图15和图16分别示出了根据本发明实施例基于曲面波干涉生成光片的不同情形。尽管未示出，但是应该理解，在图15和图16所示情形中，在对应于y轴上不同位置的不同x-z截面中，第一微纳结构11和第二微纳结构12引入的相位变化是相同的。优选如图16所示，第一波阵面wf1和第二波阵面wf2在垂直于基准线(y轴)的横截面(x-z平面)中的截线具有随着远离中心位置(基准线所在的y-z平面)而逐渐减小的切线斜率。
图17示意性地示出了图16所示光片生成器的超表面所引入的相位变化的一种情形，此时入射到第一和第二微纳结构上的光具有相同相位。图17中以虚线示意性地示出了为了得到图15所示会聚聚焦到点P的球面波波阵面wf0，超表面需要引入的相位变化；以实线示意性地示出了为了得到图16所示波阵面wf1和wf2，第一微纳结构11和第二微纳结构12所要引入的相位变化。可以看到，相比于形成球面波波阵面wf0，为了得到用于形成光片的波阵面wf1和wf0，第一微纳结构11和第二微纳结构12中的微纳单元对相位的调制作用(相位变化的幅度)随着远离基准线(x＝0)而逐渐减小。
对应于图17所示相位变化，根据本发明实施例的基于曲面波干涉的光片生成器的超表面微纳结构可以具有对称的排布结构，其中第一微纳结构11与第二微纳结构12关于基准线对称分布，从而第一微纳结构11与第二微纳结构12中位于关于基准线对称的位置上的微纳单元10b分别引入的第一相位变化δ1和第二相位变化δ2，满足δ1＝δ2。
图18示意性地示出了基于曲面波干涉的光片生成器的超表面所引入的相位变化的另一种情形，其中入射到第一和第二微纳结构上的光d相位相差π。可以看到，此时，只要第一微纳结构11和第二微纳结构12所引入的相位差之间错开π，从而补偿了入射光之间的相位差π，也可以得到用于实现光片的曲面波。
对应于图18所示相位变化，根据本发明实施例的基于曲面波干涉的光片生成器的超表面微纳结构中，第一微纳结构11与第二微纳结构12中的微纳单元排布成使得位于关于基准线对称的位置上的微纳单元所分别引入的第一相位变化δ1和第二相位变化δ2满足δ1-δ2＝(2m+1)π，其中m为整数。
图15所示光片生成器基于曲面波干涉形成光片的情形下，为了得到用于形成光片的波阵面wf1、wf2，第一微纳结构11和第二微纳结构12所引入的相位变化的曲线(图中未示出)，在一些实施例中可以位于图17或图18所示虚线和实线之间，在另一些实施例中也可以位于虚线内侧(更加靠近纵轴)。
应该理解，只要能够通过曲面波干涉在预定的片状区域中形成干涉相长，从而形成光片，根据本发明实施例的光片生成器并不限于任何特定的相位变化曲线。
根据本发明实施例的光片生成器中，基于来自于超表面中的第一微纳结构和第二微纳结构的两部分光的干涉相长而形成了光片。然而，根据光片的不同应用，可能要求光片具有较高的均匀性，或者对于光片的光强分布存在一些特殊的要求。为此，本发明发明人进一步提出了超表面中还包括至少一个辅助微纳结构的光片生成器，其中，所述至少一个辅助微纳结构包括多个微纳单元并构造成对入射辅助微纳结构的光引起相位变化，以使得经过辅助微纳结构衍射的光在预定的片状区域的至少部分区域中引起干涉，从而调整所述光片的光强分布。例如，至少一个辅助微纳结构可以在片状区域的局部区域中引起干涉相长或在整个片状区域中引起程度不同的干涉相长；或者，可以在片状区域的局部区域中引起干涉相消或在整个片状区域中引起程度不同的干涉相消；或者在局部区域中引起干涉相长而在另一些局部区域中引起干涉相消，从而调整光片的光强分布。
【第四实施例】
图19示意性地示出了根据本发明第四实施例的光片生成器的一个示例，该光片生成器包括光纤20’和形成在光纤20’的出射端面上的超表面10’。该超表面10’除了包括第一微纳结构11和第二微纳结构12，还包括第三微纳结构13和第四微纳结构14。在本实施例中，第三微纳结构13和第四微纳结构14位于第一微纳结构11和第二微纳结构12的外侧，用作辅助微纳结构。
本实施例中，光纤可以采用例如单模光纤、少模光纤、多模光纤，然而为了更加便于控制光强的分布，如图19所示，优选采用具有特殊设计的纤芯结构的光纤20’。图20的(a)部分进一步通过横截面图示出了光纤20’的纤芯结构。结合图19和图20可以看到，光纤20’具有与超表面10’的第一微纳结构11和第二微纳结构12对应的两个主纤芯21a、21a、以及与超表面10’的第三微纳结构13和第四微纳结构14对应的两个辅纤芯21b、21b。优选地，两个主纤芯21a、21a以及两个辅纤芯21b、21b对称设置。优选地，两个主纤芯21a、21a以及两个辅纤芯21b、21b各自具有扁长形状横截面，例如图20的(a)部分中所示的椭圆形横截面。
返回参照图19，根据第四实施例的光片生成器中，超表面10’中的第一微纳结构11和第二微纳结构12分别接收来自光纤20’的主纤芯21a、21a的光并引入相位变化，使得两部分光(图中实线所示光线部分)在片状区域中干涉相长而形成光片LS。该光片LS例如沿着光传播方向的光强分布近似为高斯分布。为了增加光片LS沿着光传播方向的均匀度，超表面10’中的第三微纳结构13和第四微纳结构14分别接收来自光纤20’的辅纤芯21b、21b的光并引入相位变化，使得这些光(图中虚线所示光线部分)在所述预定片状区域的至少部分区域中引起干涉，例如在预定片状区域的中心部分引起干涉相消以及或者在片状区域的周围部分引起干涉相长，从而调整光片LS的光强分布以更具均匀性，例如使得光片LS沿着光传播方向具有图19中点线所示的光强分布廓形。
图21示意性地示出了图19所示光片生成器的超表面所引入的相位变化的一个示例。
光纤20’的出射光如图20的(b)部分所示，假设其中四个纤芯出射的光为具有相同相位的平面波，则图19所示光片生成器的超表面10’可以引入如图21所示的相位变化，以形成光片LS并对光片的光强分布进行调整。图21所示相位变化曲线的I、II、III、IV区段分别对应于超表面10’中的第一微纳结构11、第二微纳结构12、第三微纳结构13和第四微纳结构14所引入的相位变化。在图21所示示例中，第一微纳结构11和第二微纳结构12引入的相位变化关于基准线(x＝0的位置)是对称的，并且第三微纳结构13与第四微纳结构14中位于关于基准线对称的位置上的微纳单元分别引入的第三相位变化δ3和第四相位变化δ4，满足δ3＝δ4。
根据本实施例，如果针对波长为532nm的入射光来设计具有偏振态选择性的光片生成器，仅作为示例而非限制性地，第一至第四微纳结构中的微纳单元可以都采用由例如TiO2形成的、横截面为长方形的柱体，柱体的高度均为600nm，横截面长方形的宽度均为95nm，长方形的长度变化以实现对相位的调控。根据第四实施例的光片生成器的超表面微纳结构排布的一个示例如图22所示。为了清晰地显示，图22仅放大示出了该微纳结构排布中的第一微纳结构411和第三微纳结构413的局部；第二微纳结构和第四微纳结构(图中未示出)为关于基准线(y轴)与第一微纳结构411和第三微纳结构413对称的结构。在图22所示示例中，相邻微纳单元之间的距离为325nm(即沿x方向和沿y方向具有相同的325nm的排布周期)，并采用八种不同尺寸的微纳单元10b来覆盖/模拟一个2π周期内的相位变化，这八种尺寸的微纳单元10b具有不同的长方形横截面的长度，所述横截面长度以及对应引入的相位变化如表3所示：
表3：
| 序号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
| 相位/rad | 0.31 | 1.08 | 1.84 | 2.68 | 3.33 | 4.13 | 5.02 | 5.81 |
| 长度/nm | 175.0 | 193.0 | 230.0 | 50.0 | 95.6 | 123.0 | 138.0 | 160.0 |
在图22所示示例中，微纳单元的长方形横截面的长度方向沿着x方向布置，宽度方向沿着y方向布置。使用时，x方向偏振光入射到具有图22所示超表面微纳结构排布的光片生成器上，则形成光片；而y方向偏振光入射到该光片生成器上，则不会发生相位调整，不能形成光片。因此，该光片生成器具有偏振态选择性。
图23和图24示出了具有图22所示微纳结构的光片生成器所形成的光片的仿真结果。图23中的(a)部分和(b)部分分别示出了光片在x-z平面以及y-z平面中的光强分布。图23的(b)部分所示的光片在y-z平面的光强分布中，可以看到，光片沿y轴方向具有大约10μm或以上的宽度w。进一步地，图24的(a)部分示出了图23的(a)部分中x＝0位置处光片沿着z轴方向的光强分布，可以看到光片在沿光传播方向具有较宽的均匀分布(以上述z轴方向的光强分布的主瓣的半高全宽作为光片的长度l，长度l约为80μm)；图24的(b)部分示出了图23的(a)部分中z＝80μm处沿x轴方向的光强分布，可以看到该光片具有较小的厚度(以上述x轴方向的光强分布的主瓣的半高全宽作为光片的厚度d，厚度d约为1.8μm)，而且光强分布的旁瓣的强度明显低于主瓣强度。总体来说，根据本发明第四实施例的光片生成器实现了良好的光片成形效果。
为了更清楚地显示辅助微纳结构在帮助调整光片的光强分布方面的作用，将以上参照图19至图22介绍的光片生成器中的第三辅助微纳结构和第四辅助微纳结构以及两个辅纤芯21b、21b去掉，得到的光片生成器作为第四实施例的对比例，并对该对比例所形成的光片进行了仿真计算，仿真结果如图25和图26所示。图25示出了对比例中形成的光片在x-z平面中的光强分布，图26示出了沿z轴的光强分布。对比图23中的(a)部分与图25，以及对比图24中的(a)部分与图26，可以看到，根据本发明第四实施例的光片生成器的超表面中的辅助微纳结构以及光纤中的辅纤芯对于光片光强分布带来的很大的调控作用。
对于根据本发明第四实施例的光片生成器，应该理解的是，根据所期望实现的光强调节的方式的不同，第三微纳结构13与第四微纳结构14所引入的相位变化并不限于彼此相同的情况。在另一些实施例中，第三微纳结构13与第四微纳结构14中位于关于基准线(x＝0的位置)对称的位置上的微纳单元分别引入的第三相位变化δ3和第四相位变化δ4可以满足δ3-δ4＝(2n+1)π，其中n为整数。在另一些实施例中，第三微纳结构13与第四微纳结构14所引入的相位变化之间可以不具有规律性的关系。甚至在另一些实施例中，光片生成器的超表面10’可以具有更多或者更少数量的辅助微纳结构。
用于根据本发明第四实施例的光片生成器中的光纤优选能够在出射端面形成具有不止一个光强极值的出射光。尽管以上参照图19和图20介绍的光片生成器中，光纤具有对应于超表面上多个微纳结构数量的多个纤芯，便于灵活调整纤芯的位置以及/或者灵活控制提供给不同微纳结构的光量。然而，应该理解的是，这并不是必需的。例如，光纤可以对应于超表面的第一微纳结构和第二微纳结构仅具有一个纤芯，该纤芯出射的光可以是基模的，也可以是分别对应于第一和第二微纳结构的高阶模，例如如图7中(b)部分所示。此外，例如，光纤可以对应于超表面的第一微纳结构和第三微纳结构具有一个纤芯，对应于第二微纳结构和第四微纳结构具有一个纤芯。又例如，光纤可以仅具有一个高阶模的纤芯，该纤芯输出分别对应于不同微纳结构的多个光斑。
此外，应该理解的是，根据本发明实施例的光片生成器的超表面中除了上述介绍的第一微纳结构、第二微纳结构以及至少一个辅助微纳结构之外，还可以包括其它微纳结构，而本发明在此方面并不受限制。
根据本发明实施例的基于超表面的光片生成器具有体积小、光场调控能力强的突出优点，特别是，当超表面与光纤集成来形成光片生成器时，进一步简化了光片生成器的结构而提供了系统的稳定性、抗干扰能力和操作灵活性，使得光片能够被更加广泛、便捷地应用。本发明的发明人发现，将根据本发明实施例的光片生成器应用于光学显微成像装置。
图27示意性地示出了根据本发明实施例的光学显微成像装置，其包括照明系统和探测系统，其中照明系统包括根据本发明实施例的光片生成器1，探测系统例如包括探测光路2。在一些实施例中，该光学显微成像装置为荧光显微成像装置，如图27所示，光片生成器1所生成的光片LS被投射到样本3上以激发荧光，然后由探测光路2对样本3发出的荧光进行探测成像。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
Claims (40)
1.一种光片生成器，包括被配置为对具有预定波长的光进行衍射的超表面，所述超表面包括分别位于一基准线的两侧的第一微纳结构和第二微纳结构，所述第一微纳结构和第二微纳结构各自包括多个微纳单元，并构造成对入射第一微纳结构和第二微纳结构的光引入相位变化，以使得经过第一微纳结构衍射的光与经过第二微纳结构衍射的光在预定的片状区域中干涉相长，从而生成光片。
2.如权利要求1所述的光片生成器，其中，所述片状区域大致垂直于所述超表面而延伸。
3.如权利要求1所述的光片生成器，其中，所述光片具有长度l、宽度w和厚度d，且l≥2d，w≥2d，所述光片在其厚度方向上的半高全宽小于等于10μm，优选小于等于2μm。
4.如权利要求1所述的光片生成器，其中，所述第一微纳结构与所述第二微纳结构中位于关于所述基准线对称的位置上的微纳单元分别引入的第一相位变化δ1和第二相位变化δ2，满足δ1＝δ2。
5.如权利要求1所述的光片生成器，其中，所述第一微纳结构与所述第二微纳结构中位于关于所述基准线对称的位置上的微纳单元分别引入的第一相位变化δ1和第二相位变化δ2，满足δ1-δ2＝(2m+1)π，其中m为整数。
6.如权利要求1所述的光片生成器，其中，所述第一微纳结构与所述第二微纳结构构造为分别对入射其中的光进行衍射并形成两个平面波。
7.如权利要求1所述的光片生成器，其中，所述第一微纳结构与所述第二微纳结构构造成分别对入射其中的光进行衍射并形成两个曲面波，并且所述两个曲面波的波阵面在垂直于所述基准线的横截面中的截线具有随着远离所述基准线而逐渐减小的切线斜率。
8.如权利要求1所述的光片生成器，其中，所述第一微纳结构和第二微纳结构的所述多个微纳单元在垂直于所述基准线的方向上以第一周期间隔排布。
9.如权利要求8所述的光片生成器，其中，所述第一微纳结构的多个微纳单元构成沿着所述基准线的方向以第二周期间隔排布的多个第一微纳单元组，并且所述第二微纳结构的多个微纳单元构成沿着所述基准线的方向以第二周期间隔排布的多个第二微纳单元组。
10.如权利要求9所述的光片生成器，其中，所述多个第一微纳单元组具有相同的结构；所述多个第二微纳单元组也具有相同的结构。
11.如权利要求9所述的光片生成器，其中，所述第一周期等于所述第二周期。
12.如权利要求1-11中任一项所述的光片生成器，其中，所述光片生成器还包括光纤，所述超表面设置在所述光纤的出射端面上，从所述光纤出射的光经过所述超表面的衍射生成所述光片。
13.如权利要求12所述的光片生成器，其中，所述光纤具有有着扁长形状横截面的纤芯。
14.如权利要求12所述的光片生成器，其中，所述光纤构造为在所述出射端面形成具有不止一个光强极值的出射光，所述出射光的光强分布关于所述基准线对称，并且所述出射光入射到所述第一微纳结构和所述第二微纳结构上。
15.如权利要求14所述的光片生成器，其中，所述光纤具有不止一个纤芯并且/或者所述光纤的至少一个纤芯具有高阶模。
16.如权利要求15所述的光片生成器，其中，所述光纤具有关于所述基准线对称的两个纤芯，并且所述两个纤芯具有扁长形状的横截面。
17.如权利要求1-11中任一项所述的光片生成器，其中，所述超表面还包括至少一个辅助微纳结构，所述至少一个辅助微纳结构包括多个微纳单元并构造成对入射辅助微纳结构的光引起相位变化，以使得经过所述至少一个辅助微纳结构衍射的光在所述片状区域的至少部分区域中引起干涉，从而调整所述光片的光强分布。
18.如权利要求17所述的光片生成器，其中，所述至少一个辅助微纳结构至少在所述片状区域的局部区域中引起干涉相长，从而提高该局部区域中的光强。
19.如权利要求17所述的光片生成器，其中，所述至少一个辅助微纳结构至少在所述片状区域的局部区域中引起干涉相消，从而降低该局部区域中的光强。
20.如权利要求17所述的光片生成器，其中，所述至少一个辅助微纳结构至少包括第三微纳结构和第四微纳结构，它们的位置关于所述基准线是对称的。
21.如权利要求20所述的光片生成器，其中，所述第三微纳结构与所述第四微纳结构中位于关于所述基准线对称的位置上的微纳单元分别引入的第三相位变化δ3和第四相位变化δ4，满足δ3＝δ4。
22.如权利要求20所述的光片生成器，其中，所述第三微纳结构与所述第四微纳结构中位于关于所述基准线对称的位置上的微纳单元分别引入的第三相位变化δ3和第四相位变化δ4，满足δ3-δ4＝(2n+1)π，其中n为整数。
23.如权利要求20-22中任一项所述的光片生成器，其中，所述第三微纳结构和第四微纳结构相对于所述基准线分别布置在所述第一微纳结构和第二微纳结构的外侧。
24.如权利要求17-23中任一项所述的光片生成器，其中，所述光片生成器还包括光纤，所述超表面设置在所述光纤的出射端面上，所述光纤构造为在所述出射端面形成具有不止一个光强极值的出射光，所述出射光入射所述第一微纳结构、第二微纳结构和所述至少一个辅助微纳结构。
25.如权利要求24所述的光片生成器，其中，所述光纤具有不止一个纤芯并且/或者所述光纤的至少一个纤芯具有高阶模。
26.如权利要求25所述的光片生成器，其中，所述光纤具有与所述超表面的第一微纳结构和第二微纳结构对应的至少一个主纤芯和与所述超表面的至少一个辅助微纳结构对应的至少一个辅纤芯。
27.如权利要求26所述的光片生成器，其中，所述至少一个辅纤芯包括关于所述基准线对称设置的至少两个辅纤芯。
28.如权利要求27所述的光片生成器，其中，所述至少一个主纤芯包括关于所述基准线对称设置的两个主纤芯。
29.如权利要求27所述的光片生成器，其中，所述光纤具有关于所述基准线对称设置的两个扁长形状横截面的主纤芯和关于基准线对称设置且位于所述两个主纤芯外侧的两个扁长形状横截面的辅纤芯。
30.如权利要求12或24所述的光片生成器，其中，所述多个微纳单元直接形成在所述光纤的出射端面上，并且构造为在所述光纤的轴向上具有相同高度，在垂直于所述光纤的轴向的至少一个方向上具有不同尺寸的微纳米柱体。
31.一种用于与超表面配合使用的光纤，其构造为能够在出射端面形成具有不止一个光强极值的出射光。
32.如权利要求31所述的光纤，其中，所述光纤具有不止一个纤芯并且/或者所述光纤的至少一个纤芯具有高阶模。
33.如权利要求31或32所述的光纤，其中，所述光纤的纤芯关于一基准线对称。
34.如权利要求33所述的光纤，其中，所述光纤具有关于所述基准线对称的两个纤芯，并且所述两个纤芯具有扁长形状的横截面。
35.如权利要求33所述的光纤，其中，所述光纤具有至少一个主纤芯和至少两个辅纤芯，所述至少一个主纤芯关于所述基准线对称，所述至少两个辅纤芯关于所述基准线对称设置且位于所述主纤芯外侧。
36.如权利要求35所述的光纤，其中，所述至少一个主纤芯包括关于所述基准线对称设置的两个主纤芯。
37.如权利要求33所述的光纤，其中，所述光纤具有关于所述基准线对称设置的两个扁长形状横截面的主纤芯和关于基准线对称设置且位于所述两个主纤芯外侧的两个扁长形状横截面的辅纤芯。
38.如权利要求35所述的光纤，其中，每一个所述主纤芯的横截面大于每一个所述辅纤芯的横截面。
39.一种光学显微成像装置，包括照明系统和探测系统，其中，所述照明系统包括如权利要求1-30所述的光片生成器。
40.如权利要求39所述的光学显微成像装置，其中，该光学显微成像装置为荧光显微成像装置，并且所述光片生成器所生成的光片被投射到样本上以激发荧光。
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