CN114200654A - 一种用于sted超分辨成像的全介质超表面结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于STED超分辨成像的全介质超表面结构，包括结构层、衬底层、第一入射光及第二入射光，所述结构层固接在衬底层底面，所述衬底层为平板形高透过率均匀介质，所述结构层包括多个椭圆柱，多个所述椭圆柱高度相同大小不同，多个所述椭圆柱固接在衬底层底面，所述椭圆柱为高折射率均匀介质材质。本发明通过入射光的偏振和结构层各单元角度及尺寸的配合，可同时对两个不同波长的入射光束分别进行波前相位调控，避免了传统光学器件由于色散导致的离焦效应，因此，单独使用本结构即可同时形成聚焦的激发光和损耗光，该发明可简化聚焦光路，提高STED荧光显微系统的集成度，提高了光转化效率及聚焦效率。
Description
技术领域
本发明涉及纳米光学技术领域，具体为一种用于STED超分辨成像的全介质超表面结构。
背景技术
现有的传统STED荧光显微系统通过分别对两束光波进行相位偏振调控再通过二色镜合束，这就导致两光束在空间上重合度难以提高且传统的光学器材过于复杂。在显微系统越来越要求小型化和灵活化发展的背景下，由于超表面结构可弥补传统光学器件不能灵活调控的缺陷又可以使光学系统简单化、小型化、集成化的优点被广泛应用到纳米观测领域来。目前基于超表面结构的STED器件有Zhao等设计出的金属型超表面STED器件，但是光转化效率低，(见Zhao Z,Pu M,Gao H,et al.Multispectral optical metasurfacesenabled by achromatic phase transition[J].Rep,2015),5:15781.还有Luo等设计出了分区超表面STED器件，但是聚焦效率低，(见Luo M,Sun D,Yang Y,et al.Three-dimensional isotropic STED microscopy generated by 4πfocusing of a radiallypolarized vortex Laguerre–Gaussian beam[J].Optics Communications,2020:125434.)。
为此我们提出一种用于STED超分辨成像的全介质超表面结构用于解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于STED超分辨成像的全介质超表面结构，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种用于STED超分辨成像的全介质超表面结构，包括结构层、衬底层、第一入射光及第二入射光，所述结构层固接在衬底层底面，所述衬底层为平板形高透过率均匀介质，所述结构层包括多个椭圆柱，多个所述椭圆柱高度相同大小不同，多个所述椭圆柱固接在衬底层底面，所述椭圆柱为高折射率均匀介质材质；
所述第一入射光及第二入射光由衬底层表面同时入射，所述第一入射光为波长为λ1的环形径向偏振光，所述第二入射光为波长为λ2的环形角向偏振光。
优选的，所述结构层中的椭圆柱在不同位置有不同的摆放角度，所述椭圆柱两个轴线的方向分别与该处第一入射光及第二入射光的偏振方向保持一致。
优选的，所述结构层中的椭圆柱在不同位置轴线尺寸不同，所述椭圆柱在位置r处两轴线尺寸应使得该位置处对于第一入射光与第二入射光的聚焦相位分别为
和
优选的，所述
所述
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过入射光的偏振和结构层各单元角度及尺寸的配合，可同时对两个不同波长的入射光束分别进行波前相位调控，避免了传统光学器件由于色散导致的离焦效应，因此，单独使用本结构即可同时形成聚焦的激发光和损耗光，该发明可简化聚焦光路，提高STED荧光显微系统的集成度，提高了光转化效率及聚焦效率。
附图说明
图1为本发明使用中结构示意图；
图2为本发明俯视平面结构示意图；
图3为本发明结构示意图。
图中：1、结构层；2、衬底层；3、第一入射光；4、第二入射光；11、椭圆柱。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
请参阅图1-3，本发明提供一种技术方案：一种用于STED超分辨成像的全介质超表面结构，包括结构层1、衬底层2、第一入射光3及第二入射光4，结构层1固接在衬底层2底面，衬底层2为平板形高透过率均匀介质，结构层1包括多个椭圆柱11，多个椭圆柱11高度相同大小不同，多个椭圆柱11固接在衬底层2底面，椭圆柱11为高折射率均匀介质材质；
第一入射光3及第二入射光4由衬底层2表面同时入射，第一入射光3为波长为λ1的环形径向偏振光，第二入射光4为波长为λ2的环形角向偏振光，在使用时，使用第一入射光3及第二入射光4由衬底层2同时入射，第一入射光3在焦平面处形成光强为钟型分布的聚焦激发光，第二入射光4在焦平面处形成光强为环形分布的聚焦损耗光。
实施例2：
请参阅图1，结构层1中的椭圆柱11在不同位置有不同的摆放角度，椭圆柱11两个轴线的方向分别与该处第一入射光3及第二入射光4的偏振方向保持一致。
请参阅图1，结构层1中的椭圆柱11在不同位置轴线尺寸不同，椭圆柱11在位置r处两轴线尺寸应使得该位置处对于第一入射光3与第二入射光4的聚焦相位分别为
和
请参阅图1，
其中f为聚焦焦平面处的焦距。
实施例3：
本发明在测试使用时，采用的衬底层2为边长为9μm的正方形平板结构，衬底层2使用二氧化硅材料，椭圆柱11采用的材料为硅，所用的第一入射光3为波长λ1＝640nm的环形径向偏振光，第二入射光4为波长λ2＝775nm的环形角向偏振光，其中每个单元位置处椭圆柱两个轴线的方向分别与该处第一入射光3及第二入射光4的偏振方向保持一致，即结构层1中椭圆柱11在坐标x,y处的摆放角度θ满足
结构层1可通过调整椭圆柱11两轴线的尺寸获得期望的聚焦相位，对于λ1＝640nm的第一入射光3，聚焦相位
满足
对于λ2＝775nm的第二入射光4，聚焦相位
满足
其中f为聚焦焦平面处的焦距，测试中采用的焦平面焦距为f＝2.179μm，根据上述两个公式设置聚焦相位使得本结构对两个输入光均为紧聚焦作用，在焦距f＝2.179μm，数值孔径NA＝0.9的条件下，第一入射光3被聚焦成了钟型激发光光斑，第二入射光4则被聚焦成了环形损耗光光斑，根据测试结果，本发明通过入射光的偏振和结构层各单元角度及尺寸的配合，可同时对两个不同波长的入射光束分别进行波前相位调控，避免了传统光学器件由于色散导致的离焦效应，因此，单独使用本结构即可同时形成聚焦的激发光和损耗光，该发明可简化聚焦光路，提高STED荧光显微系统的集成度，提高了光转化效率及聚焦效率。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (4)
1.一种用于STED超分辨成像的全介质超表面结构，包括结构层(1)、衬底层(2)、第一入射光(3)及第二入射光(4)，其特征在于：
所述结构层(1)固接在衬底层(2)底面，所述衬底层(2)为平板形高透过率均匀介质，所述结构层(1)包括多个椭圆柱(11)，多个所述椭圆柱(11)高度相同大小不同，多个所述椭圆柱(11)固接在衬底层(2)底面，所述椭圆柱(11)为高折射率均匀介质材质；
所述第一入射光(3)及第二入射光(4)由衬底层(2)表面同时入射，所述第一入射光(3)为波长为λ1的环形径向偏振光，所述第二入射光(4)为波长为λ2的环形角向偏振光。
2.根据权利要求1所述的一种用于STED超分辨成像的全介质超表面结构，其特征在于：所述结构层(1)中的椭圆柱(11)在不同位置有不同的摆放角度，所述椭圆柱(11)两个轴线的方向分别与该处第一入射光(3)及第二入射光(4)的偏振方向保持一致。
3.根据权利要求1所述的一种用于STED超分辨成像的全介质超表面结构，其特征在于：所述结构层(1)中的椭圆柱(11)在不同位置轴线尺寸不同，所述椭圆柱(11)在位置r处两轴线尺寸应使得该位置处对于第一入射光(3)与第二入射光(4)的聚焦相位分别为
和
4.根据权利要求3所述的一种用于STED超分辨成像的全介质超表面结构，其特征在于：所述
所述
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