CN1635395A

CN1635395A - 用于三维微细加工或高密信息存储的双光子/共焦光学加工装置及其方法

Info

Publication number: CN1635395A
Application number: CN 200310112846
Authority: CN
Inventors: 黄文浩; 夏安东; 褚家如; 周拥军; 蒋中伟; 袁大军; 陈德强
Original assignee: University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: University of Science and Technology of China USTC
Priority date: 2003-12-31
Filing date: 2003-12-31
Publication date: 2005-07-06
Anticipated expiration: 2023-12-31
Also published as: CN1314988C

Abstract

本发明涉及一种用于三维微细加工或高密信息存储的双光子/共焦光学加工装置及其方法，它属于三维光学加工和信息存储技术。该装置包括光学系统、工作台和控制系统三部分；光学系统中包括双光子光源系统和单光子光源系统，由各自的激光器、扩束组件、滤色片和分色镜组成，两者并行，共用主光路系统；主光路系统采用无限远平行光结构；两路光源系统中的分色镜通过切换机构分别转换到主光路系统中；实现加工和成像一体化的实时原位操作，节省了成本和时间。工作台是采用压电陶瓷驱动器和柔性铰链连接的平面杠杆放大机构及平行四连杆机构组成的二维微位移工作台，精度高、扫描范围大，可大大提高加工质量和分辨率。克服了光束扫描方式的缺陷。

Description

用于三维微细加工或高密信息存储的双光子/共焦光学加工装置及其方法

技术领域

本发明涉及光学加工技术，尤其是利用双光子及共焦激光扫描显微镜的原理而设计的三维光学加工和信息存储系统以及利用该系统进行加工或存储的方法。

背景技术

共焦显微镜自发明以来，大多应用于生物医学领域。其专利见US 0313467(Minsky，1961)。1990年，美国康奈尔大学Denk..WJ，Strikler.Jp，Webb.WW等人提出将双光子激发现象应用到共焦激光扫描荧光显微镜中，并获美国专利(Two-photon lasermicroscopy，″United States Patent，5,034,613)，其相关论文见Two-photon laserscanning fluorescence microscopy.Science 248，1990：73-76.。

共焦激光扫描荧光显微镜光学部分的基本原理如附图1所示。由激光器1、滤光孔2组成的点光源发出的光通过分色镜5反射并被物镜6聚焦到位于物镜焦面7处的样品上，在样品中激发出荧光。荧光再由物镜6收集并通过分色镜5会聚到共焦小孔4上，并由探测器3检测。由于共焦小孔、点光源和物镜焦面处于共轭位置，因此非焦面8上的荧光将被共焦小孔阻挡。通过逐点扫描焦面上的样品，将探测器探测到的荧光信号进行采样，便可在计算机中得到样品的荧光图像。调整物镜焦面的位置，共焦激光扫描荧光显微镜能够对样品内部进行光学断层扫描成像。光学断层的图像通过计算重建可得到样品的三维图像。

双光子激发是指介质同时吸收两个低能量的光子而被激发到高能态，然后从高能态迅速驰豫到低能态而发射一个荧光光子的过程。将双光子激发现象应用到共焦激光扫描荧光显微镜中，为共焦激光扫描显微镜的更广泛应用开辟了道路。材料的双光子吸收率取决于激发光强的平方，因而在紧聚焦的条件下，双光子吸收仅局域于物镜焦点处的空间体积约λ3的小范围内，使人们甚至可以不使用共焦小孔，就能得到高清晰的光学断层图像，使共焦显微镜的设计大为简化，易于操作。同时也由于双光子吸收的这种非线性，相比单光子共焦荧光显微镜具有更高的空间分辨率。

双光子激发除了用于成像以外，利用其具有高度局域的特点还可用来实现三维任意方向的微细加工和光学信息存储。双光子吸收使材料在焦点附近约λ3的小范围内发生物理或化学变化，如气化、液化、固化、收缩、膨胀等，而焦点以外的其他区域不发生任何变化，因此移动焦点在样品内的位置可进行三维任意方向的微细加工；双光子吸收导致的另外一些物理或化学变化如折射率改变、吸收光谱和荧光光谱的改变等可作为信息点来实现三维高密信息存储。双光子微细加工相关专利见WO9954784。三维光学信息存储的相关专利见WO0031733。

目前，已有的共焦激光扫描荧光显微镜和双光子激光扫描荧光显微镜大多采用光束扫描方式：即激发光束在光路中发生偏转，从而实现焦点在样品上的扫描。光束扫描方式由于在扫描过程中使光束发生偏转而产生球差，从而容易导致光斑的空间轮廓形状凹凸不平，使分辨率的提高受到限制。由于自共焦激光扫描荧光显微镜和双光子激光扫描荧光显微镜出现以来，其大多应用于生物医学领域，如对生物样品进行光学断层成像和三维立体成像，Ca²⁺离子浓度观察等，因此显微镜的分辨率已足够满足使用要求。但是，如果直接利用这些显微镜进行三维光学微细加工，将会影响加工质量和分辨率。同时，光束扫描方式的位移分辨率较低，扫描范围小，使微细加工受到很大限制。虽然用步进电机驱动工作台位移、从而实现光束焦点在样品上扫描的台式扫描方式也曾出现过，但其位移精度仍不能满足微细加工的需要。因此双光子微细加工需要一种高精度、大扫描范围的微动工作台。

此外，三维微细加工常常需要在加工完毕后现场检测其加工质量和效果，特别是希望利用共焦荧光显微镜对复杂的三维结构的内部进行扫描断层成像。已有的双光子微细加工方法和装置往往将加工和检测分开。这不仅带来成本上的提高，而且检测时需要花大量的时间去找寻目标。因此还需要一种实时原位的一体化的光学加工和观测装置，现场观测加工完毕的样品的三维结构。

发明内容

本发明的目的在于提出一种实时原位的适用于三维光学微细加工和高密度信息存储的光学加工装置以及利用该装置进行加工或存储的方法。

本发明提出的光学加工装置主要构成部分包括：光学系统；工作台；控制系统；光学系统包括光源系统和主光路系统，其中，光源系统为两个，分别是双光子光源系统和单光子光源系统，由各自的激光器、扩束组件、滤色片和分色镜组成，两者并行，共用主光路系统；主光路系统采用无限远平行光结构；两路光源系统中的分色镜通过切换机构分别转换到主光路系统中。

上述装置中，工作台是采用压电陶瓷驱动器和柔性铰链连接的平面杠杆放大机构及平行四连杆机构组成的二维微位移工作台。

上述装置中，主光路系统中的物镜为伸缩式物镜。

本发明提出的利用上述光学加工装置进行三维光学微细加工或三维光学信息存储的方法，其过程为：将被加工或存储的材料样品置于工作台上；将双光子分色镜切换到主光路系统中使双光子光源系统进入工作状态，由控制系统中的计算机控制调节工作台位置及物镜焦点、依次对准样品中需加工或存储信息的位置，对样品进行三维空间扫描，扫描过程中计算机控制双光子光源系统中的激光器的光闸在样品的预定位置打开光闸曝光，进行三维光学微细加工或信息存储；加工或存储完毕后，将单光子分色镜切换到主光路系统中使单光子光源系统进入工作状态，仍然由计算机控制调节工作台位置及物镜焦点、依次对准样品中已加工或存储信息的位置，对样品进行三维空间扫描，由探测器采集该区域的荧光信号并由计算机形成三维光学断层图像，进行实时原位的三维成像观察或读取信息。

本发明具有以下明显的优点：

光学系统采用了两个独立的光源系统，分别用于双光子脉冲激光光源和单光子连续激光光源。两个光源之间的转换只需通过各自的分色镜切换即成，分别用于加工和成像。主光路部分采用了无限远平行光原理，在切换光源系统和伸缩物镜运动时不影响光路的加工和显微效果。两个光源系统与一个主光路系统以及控制系统配合，实现加工和成像一体化，能够直接在现场检测加工完毕的样品的三维结构，实现了加工和检测的实时原位操作，节省了成本和时间。

双光子激光加工和单光子的成像采用台式扫描方式，即利用同一个二维微位移工作台来实现扫描，克服了光束扫描方式由于球差所导致的位移分辨率较低、扫描范围小等缺陷。而且，该二维微位移工作台采用了压电陶瓷驱动来获得高分辨率的位移，并采用柔性铰链连接的平面杠杆放大机构及平行四连杆机构来扩大工作台的位移范围，构成了高精度、大扫描范围的微动工作台，可大大提高加工质量和分辨率。

加工和成像均采用无限远平行光技术和伸缩物镜实现第三维位移，简化了工作台结构。而且，采用压电陶瓷驱动的伸缩物镜可获得高分辨率的第三维位移。

本发明提出的装置不仅适用于三维微细加工，也适用于三维光学高密信息存储的写入和读出。同时也可作为双光子荧光显微镜和单光子荧光显微镜。

附图说明

图1为一般共焦荧光显微镜原理示意图；

图2为本发明的光学系统结构示意图。

图3为本发明的工作台结构示意图(俯视)。

图4为柔性铰链结构示意图。

图5为工作台的放大工作原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图逐项说明。

1.光学系统：如图2所示，在进行双光子激光加工时，激光器1中发出的激光(如采用超快脉冲激光器时的飞秒激光)首先经过由前扩束透镜11、后扩束透镜10和滤光孔2组成的光源扩束组件，再经过双光子激发滤色片16滤除杂散光，由双光子分色镜17将其反射进入物镜6，物镜6将其会聚为加工用的光斑。双光子激发滤色片16能够透射相应的激发光，双光子分色镜17则对相应的激发光反射而对荧光透射。如对800nm的飞秒激光，采用大于750nm的光反射、小于750nm的光透射的双光子分色镜17，以及对800nm的光透射的双光子激发滤色片16(即800nm带通滤色片)。选择合适的成像滤色片，如大于720nm的光反射、小于720nm的光透射，该装置即可作为双光子荧光显微镜。被加工的样品22位于工作台14上。工作台带动样品22进行三维运动，或者，工作台仅作二维平面运动、第三维(沿主光路系统中的光轴方向)的运动可以是手动或由计算机控制的伸缩物镜的运动，以便简化工作台的结构。通过调节工作台或者物镜的运动使光束对样品进行三维空间的光栅式分层扫描，当运动到需要曝光的位置时打开光闸12对该点进行曝光，即实现对该点的微细加工。光闸可以是机械式或光电偏转式。工作台和光闸的动作均由控制系统中的计算机控制。对于加工精度要求较高的可以将物镜6更换为压电陶瓷驱动的伸缩物镜(如PI公司P721、P722 Objective Nano Positioner)并由计算机控制其运动。主光路系统的特点是采用了无限远平行光设计，即物镜6为无限远物镜，物镜6与管镜19之间的激发光和荧光均为平行光路。因此物镜的伸缩、附件的切换对光路没有影响。

在进行单光子成像时，激光器1中发出的激光(如采用532nm的Nd：YV04激光器时的连续激光)首先经过与上述结构相同的由前扩束透镜11、后扩束透镜10和滤光孔2组成的光源扩束组件进行扩束，再经过单光子激发滤色片9滤除杂散光，由单光子分色镜5将其反射进入物镜6，物镜6将其会聚到待成像的样品22中。单光子激发滤色片能够透射相应的激发光，单光子分色镜5则反射相应的激发光而透射荧光。如采用532nm连续激光做光源时，单光子激发滤色片9对532nm的光透射，单光子分色镜5对小于560nm的光反射、对大于560nm的光透射，成像滤色片13对小于570nm的光反射、对大于570nm的光透射。样品22中激发出的荧光被同一物镜6收集后，经单光子分色镜5、成像滤色片13、管镜19会聚到共焦小孔4中。共焦小孔的位置与物镜的焦面共轭。焦面上的荧光通过共焦小孔由成像透镜15收集后被探测器3接受，非焦面上的荧光则被共焦小孔4阻挡。样品22由计算机控制的工作台带动实现在水平面上的扫描，同样，第三维的运动根据需要可以通过手动或压电陶瓷驱动的伸缩物镜实现。计算机对探测器接收到的已加工位置的荧光光强信号采样、形成样品光学断层的三维图像，即利用共焦荧光显微镜成像的原理，对加工好的样品进行实时原位的成像观察。加工和成像采用同一个控制系统和相应的计算机软件进行控制。

双光子加工功能和单光子成像功能之间的转换只需通过切换不同的分色镜即可实现。切换机构可以采用通常的插拔式或推移式、偏转式等。分色镜5、17分别位于不同的镜盒中，通过插拔或推移、偏转不同的镜盒使相应的镜盒进入主光路中即可实现它们的切换。

被加工样品的材料应为能够被双光子激发而发生物理或化学变化的材料，例如光刻胶SCR500、shipley1830、Su8等在飞秒激光作用下会发生聚合或酸解反应。在被加工材料中应根据单光子激发光的波长事先掺入合适的荧光剂(如对于532nm的激光掺入罗丹明)，利于在加工完后现场观测其三维结构。

超快脉冲激光器：超快脉冲激光器作为一种新型的双光子激发光源，可以在很低的平均激光功率下实现GW数量级的瞬时激发功率。本发明可以使用商业化的超快脉冲激光器(如TiF50 AVESTA)或自行组建的超快脉冲激光器，如800nm、80fs、80MHz的钛宝石激光器。

单光子连续激光器：可以是各种波长的连续激光，如掺钕钒酸钇Nd：YV04激光器(相干公司Verdi5)，以适用于不同的荧光物质。

2.工作台：其结构如图3所示。本发明采用了独特的二维微位移工作台。工作台由压电陶瓷驱动器23和整体式的柔性铰链放大机构组成。24、25为调整螺栓和锁紧螺母。其中，压电陶瓷驱动器(如WTYD0808055)具有纳米级的位移分辨率，可以提供足够高的分辨率以保证加工精度，但它的位移量相对于微细加工和光学高密信息存储的需要来说过于小。为了解决这个问题，本发明采用了基于柔性铰链连接的杠杆放大机构及平行四连杆机构来获得更大范围的合适位移量。柔性铰链是一种圆弧切口结构，如图4所示。柔性铰链具有体积小，无摩擦，无间隙，加工方便，运动灵敏度高等特点，利用其有限的角位移可实现精密的运动。考虑到应与压电陶瓷驱动器的线膨胀系数比较接近，工作台材料选用铝合金LD31，并用线切割方法在一个整块材料上加工而成。为保证扫描运动的直线性，工作台由位于同一平面上的平行四连杆机构加上杠杆放大机构组成。其在一个方向上(X或Y方向)的放大工作原理见图5所示。图中大写字母A～G表示柔性铰链，b、c、d组成平行四连杆机构，a、b杆和压电陶瓷驱动器23组成杠杆放大机构。b、c长度相同，相互平行，他们绕D、G铰链转动时，d部分保证为平动。其对应的实际杆件已在图3中标出。理论上的放大倍数为(1+R₁/R)(1+R₃/R₂)。工作台分别在X、Y两个方向上具有这样的机构。如图3所示，整个X方向上的放大和平行四连杆机构嵌套在Y方向的d部分中。这样Y方向运动时带动整个X方向上的杆件运动，实现两个方向上的运动。两个方向的机构在原理上完全对称。

3.控制部分：通过共焦小孔的荧光被光电探测器接受，转变为电流信号。前置放大器将电流信号放大并转变为电压信号，经滤波、AD采样后转变为数字信号。由配套的软件根据数字信号及扫描位置得到不同灰度值的图像。在采样的同时，计算机通过DA转换器和高压放大器产生锯齿波或三角波扫描电压，来驱动压电陶瓷进行两个方向上的扫描。计算机通过调整输出电压的大小可以方便地调节扫描范围。在进行三维加工和光学信息存储时，计算机控制光闸和工作台在样品22预定的位置进行曝光和成像。计算机控制软件还负责图像的显示、存储，参数的调整、人机交互等。

本发明不仅可以适用于上述微细加工过程，同样可以适用于三维光学信息存储过程。存储所用的材料可以是光子色变材料(如二芳基类衍生物)或荧光漂白材料。光子色变材料的特点是在一个短波长单光子或长波长双光子激发下由I态转变为II态。I态和II态由于具有不同的吸收光谱和荧光光谱，因而可作为二进制的“0”和“1”信息存储于介质中。荧光漂白材料在短波长单光子或长波长双光子激发下被漂白而失去荧光特性，因此荧光的存在和失去也可作为二进制的“0”和“1”信息存储于介质中。双光子写入和微细加工的过程相同，通过工作台和伸缩物镜的三维运动对材料的立体空间扫描、曝光而存入信息。读出信息时同样采用扫描成像的方法，成像的过程即为读出的过程。读写的转换同样只需切换不同的分色镜。

本发明所示的光学结构完全可以作为一种可单独读写的光盘驱动器的光学头，其工作原理如前所述。

Claims

1、一种用于三维微细加工或高密信息存储的双光子/共焦光学加工装置，包括：光学系统；工作台；控制系统；光学系统包括光源系统和主光路系统，其特征在于，光源系统为两个，分别是双光子光源系统和单光子光源系统，由各自的激光器、扩束组件、滤色片和分色镜组成，两者并行，共用主光路系统；主光路系统采用无限远平行光结构；两路光源系统中的分色镜通过切换机构分别转换到主光路系统中。

2、如权利要求1所述的双光子/共焦光学加工装置，其特征在于，所述的工作台是采用压电陶瓷驱动器和柔性铰链连接的平面杠杆放大机构及平行四连杆机构组成的二维微位移工作台。

3、如权利要求1或2所述的双光子/共焦光学加工装置，其特征在于，所述的主光路系统中的物镜为伸缩式物镜。

4、一种用于三维光学微细加工或三维光学信息存储的双光子/共焦光学加工方法，其特征在于，其过程为：将被加工或存储的材料样品置于工作台上；将双光子分色镜切换到主光路系统中使双光子光源系统进入工作状态，由控制系统中的计算机控制调节工作台位置及物镜焦点、依次对准样品中需加工或存储信息的位置，对样品进行三维空间扫描，扫描过程中计算机控制双光子光源系统中的激光器的光闸在样品的预定位置打开光闸曝光，进行三维光学微细加工或信息存储；加工或存储完毕后，将单光子分色镜切换到主光路系统中使单光子光源系统进入工作状态，仍然由计算机控制调节工作台位置及物镜焦点、依次对准样品中已加工或存储信息的位置，对样品进行三维空间扫描，由探测器采集该区域的荧光信号并由计算机形成三维光学断层图像，进行实时原位的三维成像观察或读取信息。