CN216622749U - 双功能超透镜及包括其的超分辨成像装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种双功能超透镜，包括基底，以及阵列排布于所述基底表面的结构单元，所述结构单元由周期性排布的纳米结构组成；所述双功能超透镜基于纳米结构的相位分布配置为：对具有第一波长的入射光进行调制生成环形空心光束，对具有第二波长的入射光进行调制以在焦点生成与所述空心光束同轴的聚焦光斑；所述的第一波长与第二波长不同。同时涉及一种超分辨成像装置，包括如前述双功能超透镜，还包括输出至少两种不同波长光线的光源以及探测器；本申请解决了色差的问题，实现了不同波长实心光斑和空心光斑在空间同一位置的聚焦和嵌套。由于双光束借助同一片器件实现调制，因此也无需高精度的位置控制系统，系统结构更加简单。

Description

双功能超透镜及包括其的超分辨成像装置

技术领域

本申请属于光学成像领域，具体涉及一种双功能超透镜及包括其的超分辨成像装置。

背景技术

对成像系统来说，成像分辨率是一个重要指标。由于衍射效应的存在，光学系统的成像分辨率有理论极限。为了突破衍射极限的限制，不同原理不同方法的超分辨成像技术被提出。受激辐射损耗荧光显微技术STED(Stimulated emission depletion)是一项非常有代表性的技术。

在STED中，使用波长不相同的激发光和损耗光通过半透半反镜或二向色镜同轴耦合进显微物镜，聚焦入射样品区域。激发光通过物镜在样品区域形成一个衍射受限的聚焦光斑；而损耗光在进入物镜之前，首先会通过螺旋相位板等特殊光学器件，从而改变光场的空间分布，比较典型的是形成环形光斑。这样激发光和损耗光的两种空间分布的光斑进行重叠，重叠区域荧光被猝灭，因此只有中心区域很小范围内才能够辐射荧光，由此实现了超分辨成像。

STED的关键在于两种不同波长的激光的协同作用，分别形成聚焦光斑和空心光斑，需要进行双光束调制与高精度同轴对准，系统复杂，无法进行小型化、集成化设计。

实用新型内容

针对现有技术的缺陷，本申请提供了一种双功能超透镜及包括其的超分辨成像装置。以实现提高成像精度、便于小型化、集成化的目的。

本申请第一方面提供一种用于STED超分辨成像的双功能超透镜，包括如下特征：

基底，以及

阵列排布于所述基底表面的结构单元，所述结构单元由周期性排布的纳米结构组成；

其中，所述双功能超透镜基于纳米结构的相位分布配置为：对具有第一波长的入射光进行调制生成环形空心光束，以及

对具有第二波长的入射光进行调制以在焦点生成与所述空心光束同轴的聚焦光斑；

其中，所述的第一波长与第二波长不同。

优选地，所述纳米结构为偏振相关结构。

优选地，所述纳米结构为纳米鳍或纳米椭圆柱。

优选地，所述双功能超透镜基于纳米结构的相位分布满足：

其中，λ₁和λ₂分别为第一入射光和第二入射光的波长，

为柱坐标系中的方位角，l是拓扑和值。

优选地，所述纳米结构为偏振无关结构。

优选地，所述纳米结构为纳米圆柱或纳米方柱。

优选地，所述双功能超透镜基于纳米结构的相位分布同时满足：

和

其中，λ₁和λ₂分别为第一入射光和第二入射光的波长，

为柱坐标系中的方位角，l是拓扑和值。

优选地，所述结构单元为正六边形，所述正六边形各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构。

优选地，所述结构单元为正方形，所述正方形各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构。

本申请第二方面提供了一种超分辨成像装置，其中，包括如前述技术方案及其任一项优选技术方案中所述的双功能超透镜，还包括输出至少两种不同波长光线的光源以及探测器；

其中，所述双功能超透镜用于接收来自所述光源的光线，并于样品处生成聚焦光斑和环形光斑；以及

其中，所述探测器用于采集样品反射的光信号。

优选地，还包括用于承载样品的纳米平移台，用于移动样品以实现对样品的二维扫描成像。

优选地，还包括至少一个分光镜，用于形成所述光源、双功能超透镜与探测器之间的光路。

优选地，还包括聚焦超透镜，所述聚焦超透镜被配置为将所述聚焦光斑和环形光斑的反射光聚焦于所述探测器。

优选地，所述光源具体包括第一激光器和第二激光器；

其中，所述第一激光器和第二激光器配置为输出不同波长的激光；以及

其中，所述第一激光器和第二激光器输出圆偏振光。

优选地，所述光源还包括偏振片。

优选地，还包括滤光片，用于为探测器过滤掉工作波长以外的辐射信号。

相较于现有技术，上述技术方案的优点和效果至少有：将双波长调制的相位编码到同一片器件上，解决了色差的问题，实现了不同波长实心光斑和空心光斑在空间同一位置的聚焦和嵌套。由于双光束借助同一片器件实现调制，因此也无需高精度的位置控制系统，无需多元件对准，系统结构更加简单。轨道角动量光束不再需要依赖于空间螺旋相位板、液晶空间光调制器、q板和叉形光栅等方式，且由于超表面具备“轻”，“薄”，“简”，“廉”以及产能高的优势，兼容半导体产品的制造方式，可使用晶圆级加工与封装，易于集成和小型化，整体鲁棒性更强。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

图1为现有技术中的STED原理示意图；

图2示出了本申请中双功能超透镜的光路图(调制后)；

图3为本申请中超分辨成像装置的结构和光路示意图；

图4为超表面结构单元排布图；

图5为纳米结构单元示意图(左：纳米柱，右：纳米鳍)；

图6为本申请一个实施例中的纳米柱及光斑示意图。

图中：11第一光源，12第二光源，2分光镜，3双功能超透镜，4纳米平移台，5探测器，6聚焦超透镜，7滤光片。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本实用新型。在本实用新型和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本申请可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。

STED系统要能够实现超分辨成像的目的，关键在于两种不同波长的激光的协同作用。如图1所示，波长为λ₁的激发光通过物镜聚焦为衍射受限的光斑，而波长为λ₂的损耗光则需要经过特殊的调制，以实现一个特殊形状的空心光斑。通常情况下，STED系统通过将波长为λ₂的损耗光调制为轨道角动量涡旋光束，以实现特殊环形光场的分布。传统的轨道角动量涡旋光束产生依赖于空间螺旋相位板、液晶空间光调制器、q板和叉形光栅等方式。在获得特殊分布的空心光斑同时，STED系统需要将两种不同波长的光束严格对准(误差不超过10nm)，聚焦到空间的同一位置，实现波长为λ₁的聚焦光斑和波长为λ₂的环状空心光斑的嵌套。

如图1左半部分所示，波长为λ₁的激发光与波长为λ₂的损耗光通过半透半反镜或二向色镜同轴耦合进显微物镜，聚焦入射样品区域。波长为λ₁的激发光通过物镜在样品区域形成一个衍射受限的聚焦光斑；而波长为λ₂的损耗光在进入物镜之前，首先会通过螺旋相位板等特殊光学器件，从而改变光场的空间分布，比较典型的是形成环形光斑。这样激发光和损耗光的两种空间分布的光斑进行重叠，重叠区域荧光被猝灭，因此只有中心区域很小范围内才能够辐射荧光，由此实现了超分辨成像。

根据上述叙述，可以理解的是，现有的STED装置中需要进行双光束调制与高精度同轴对准，系统复杂、成本高昂；涡旋光束产生依赖于空间螺旋相位板、液晶空间光调制器、q板和叉形光栅等方式，无法进行小型化、集成化设计。

对于实现STED超分辨成像，光学方面有两个要求：(1)对双光束进行调制，将其中一束光转化为环形空心光束；(2)对双光束聚焦光斑的空间位置进行严格对准。有鉴于此，本申请第一方面实施例涉及一种可以同时实现这两个要求的双功能超表面，通过单个器件实现对双光束的共同调制，其结构特征具体包括：

基底，对于入射光透明；以及阵列排布于所述基底表面的结构单元，所述结构单元由周期性排布的纳米结构组成；其中，所述入射光至少包括不同波长的第一入射光和第二入射光；其中，所述双功能超透镜基于纳米结构的相位分布配置为：对第一入射光调制生成环形空心光束，以及对第二入射光调制并在焦点生成与所述空心光束同轴的聚焦光斑。

对上述实施例的补充说明是，超透镜是一种超表面。超表面是一层亚波长的人工纳米结构膜，可根据其上的超表面结构单元来调制入射光。其中超表面结构单元包含全介质或等离子的纳米天线，可直接调控光的相位、幅度和偏振等特性。本例中，纳米结构是全介质结构单元，在目标波段具有高透过率，可选的材料包括：氧化钛、氮化硅、熔融石英、氧化铝、氮化镓、磷化镓、非晶硅、晶体硅和氢化非晶硅等。纳米结构之间可是空气填充或者其他工作波段透明或半透明的材料，需要注意的是，此材料的折射率与纳米结构的折射率差值的绝对值需大于等于0.5。

在优选实施例中，纳米结构可为偏振相关的结构，如纳米鳍和纳米椭圆柱等结构，此类结构对入射光施加一个几何相位；纳米结构也可以是偏正无关结构，如纳米圆柱和纳米方柱等结构，此类结构对入射光施加一个传播相位。

对本申请中超透镜的选型、设计、原理的具体说明如下。

要能够实现两个不同波长在同一空间位置的聚焦，需要克服色差。不同波长经过平面超透镜相位分布满足相位线性叠加原理。如下式：

假设STED双功能超表面器件分别对波长为λ₁和λ₂的光进行调制，产生两种不同分布的光斑，一种是λ₁产生的实心聚焦光斑，一种是λ₂产生的环形光斑，示意图如图2所示。

其中波长为λ₁的入射光的复振幅为：

对应的超表面相位：

对波长为λ₂的入射光，超表面的作用是产生环形光束，产生环形光束的一种方法是轨道角动量光束，轨道角动量光束是一种具有螺旋相位分布的特殊光束，即聚焦光斑包含一个随方位角线性变化的相位

φ是柱坐标系中的方位角，l是拓扑和值，入射光的复振幅为：

对应的超表面相位：

Eq-5中相位既包含球面聚焦的分量，又有与轨道角动量相关的螺旋相位分量，能够产生轨道角动量空心光斑。

双功能超表面同时实现对两束光的调制，有鉴于此，

在优选实施例中，若纳米结构选择偏振无关结构，此超表面的相位设计应同时满足Eq-3和Eq-5，并在纳米数据库中寻找相对应的结构设计。

在优选实施例中，若纳米结构选择偏振相关的结构，

则此双功能超表面的相位分布满足：

并在纳米数据库中寻找相对应的结构设计。

在优选实施例中，所述结构单元为正六边形，所述正六边形各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构。或者，所述结构单元为正方形，所述正方形各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构。理想状态下，结构单元应为六边形定点及中心排布的纳米结构，或者为正方形定点及中心排布的纳米结构，应当理解，实际产品可能因超透镜形状的限制，在超透镜边缘有纳米结构的缺失，使其不满足完整的六边形/正方形。具体的，如图4所示，所述结构单元由纳米结构按照规律排布而成，若干个结构单元成阵列排布形成超表面结构。

如图4左侧中示出的一个实施例，包括一个中枢纳米结构，其周围环绕着6个与其距离相等的周边纳米结构，各周边纳米结构圆周均布，组成正六边形，也可理解为多个纳米结构组成的正三角形互相组合。

如图4右侧中示出的一个实施例，为一个中枢纳米结构，其周围环绕着4个与其距离相等的周边纳米结构，组成正方形。

本申请第二方面的实施例涉及一种超分辨成像装置。主要由以下几部分组成：光源，分光镜，如第一实施例及其各优选实施例中涉及的双功能超表面，纳米平移台，超表面，滤光片，探测器及分析软件。示意图如图3所示。

其中：

光源11，12：包括输出两个不同波长的激光器和偏振片(线偏振片和1/4波片)，光源输出的是圆偏振光；

分光镜2：将一部分光透射，一部分光反射。分光镜至少为一个，用于形成所述光源、双功能超透镜与探测器之间的光路。双功能超表面3分别对波长为λ₁和λ₂的光进行调制，使λ₁产生的实心聚焦光斑，使λ₂产生的环形光斑；

纳米平移台4：通过移动样品对样品进行二维扫描成像；

滤光片7：消除工作波长以为的光；

聚焦超透镜6：基于其上的超表面结构，被配置为，将反射回来的光信号聚焦到探测器，波长为λ₁和λ₂的光同时聚焦到同一位置。

探测器5：采集光子信号用于分析软件进行数据处理。

STED技术是依赖荧光分子受激激发的波长选择性：特殊荧光分子在波长λ₁的激光照射下会从基态跃迁到激发态，从而激发荧光；但在波长λ₂激光照射下，荧光分子会受到激光诱导，从而使其受激辐射损耗，恢复至基态，而不能够被波长为λ₁的激光激发。

本申请第三方面实施例涉及一种双功能超表面的纳米结构相位设计，纳米椭圆柱的长轴为180nm，短轴为90nm，材料是氮化硅，如图6左侧所示。采用正六边形周期排布，周期为250nm。对于纳米椭圆柱，

其中σ＝±1表示圆偏振光的左旋或右旋状态，α是纳米柱主轴的偏转角。入射激光参数选择为λ₁＝405nm，λ₂＝532nm,以及拓扑荷值l＝1。超表面透镜半径为10μm，实心和环形光斑的观察面设置在z＝10μm平面上，也就是说焦距f＝10μm。将这些参数代入Eq-6得到双功能超表面的相位分布：

在入射波长为405nm时，在z＝10μm平面观测到的是聚焦实心光斑，如图6中间部分所示；在入射波长为532nm，在同一位置的聚焦光斑为空心环形光斑，如图6右侧所示。

上述实施例，利用了超透镜“轻”，“薄”，“简”，“廉”以及产能高的优势。将双波长调制的相位编码到同一片器件上，解决了色差的问题，实现了不同波长实心光斑和空心光斑在空间同一位置的聚焦和嵌套。由于双光束借助同一片器件实现调制，因此也无需高精度的位置控制系统，系统结构更加简单。轨道角动量光束不再需要依赖于空间螺旋相位板、液晶空间光调制器、q板和叉形光栅等方式，整体更加小巧，成本更低。

以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (16)

1.一种双功能超透镜，其特征在于，包括：

基底，以及

阵列排布于所述基底表面的结构单元，所述结构单元由周期性排布的纳米结构组成；

其中，所述双功能超透镜基于纳米结构的相位分布配置为：对具有第一波长的入射光进行调制生成环形空心光束，以及

对具有第二波长的入射光进行调制以在焦点生成与所述空心光束同轴的聚焦光斑；

其中，所述的第一波长与第二波长不同。

2.根据权利要求1所述的双功能超透镜，其特征在于，所述纳米结构为偏振相关结构。

3.根据权利要求2所述的双功能超透镜，其特征在于，所述纳米结构为纳米鳍或纳米椭圆柱。

4.根据权利要求2所述的双功能超透镜，其特征在于，所述双功能超透镜基于纳米结构的相位分布满足：

其中，λ₁和λ₂分别为第一入射光和第二入射光的波长，

为柱坐标系中的方位角，l是拓扑和值，f为焦距。

5.根据权利要求1所述的双功能超透镜，其特征在于，所述纳米结构为偏振无关结构。

6.根据权利要求5所述的双功能超透镜，其特征在于，所述纳米结构为纳米圆柱或纳米方柱。

7.根据权利要求5所述的双功能超透镜，其特征在于，所述双功能超透镜基于纳米结构的相位分布同时满足：

和

其中，λ₁和λ₂分别为第一入射光和第二入射光的波长，

为柱坐标系中的方位角，l是拓扑和值，f为焦距。

8.根据权利要求1所述的双功能超透镜，其特征在于，所述结构单元为正六边形，所述正六边形各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构。

9.根据权利要求1所述的双功能超透镜，其特征在于，所述结构单元为正方形，所述正方形各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构。

10.一种超分辨成像装置，其特征在于，包括如权利要求1～9任一项所述的双功能超透镜、输出至少两种不同波长光线的光源以及探测器；

其中，所述双功能超透镜用于接收来自所述光源的辐射，并于样品处生成聚焦光斑和环形光斑；以及

其中，所述探测器用于采集样品反射的辐射信号。

11.根据权利要求10所述的超分辨成像装置，其特征在于，还包括用于承载样品的纳米平移台，用于移动样品以实现对样品的二维扫描成像。

12.根据权利要求10所述的超分辨成像装置，其特征在于，还包括至少一个分光镜，用于形成所述光源、双功能超透镜与探测器之间的辐射路径。

13.根据权利要求10所述的超分辨成像装置，其特征在于，还包括聚焦超透镜，所述聚焦超透镜被配置为将所述聚焦光斑和环形光斑的反射辐射聚焦于所述探测器。

14.根据权利要求10所述的超分辨成像装置，其特征在于，所述光源具体包括第一激光器和第二激光器；

其中，所述第一激光器和第二激光器配置为输出不同波长的激光；以及

其中，所述第一激光器和第二激光器输出圆偏振光。

15.根据权利要求14所述的超分辨成像装置，其特征在于，所述光源还包括偏振片。

16.根据权利要求10所述的超分辨成像装置，其特征在于，还包括滤光片，用于为探测器过滤掉工作波长以外的辐射信号。

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