基于透明介质小球的三维超分辨聚焦方法及装置

摘要

本发明公开了一种基于透明介质小球的三维超分辨聚焦方法及装置。该方法包括：将径向偏振光束入射到微米量级的透明介质小球进行聚焦，在透明介质小球的出射端得到聚焦光斑。该装置依次包括：用于产生径向偏振光束的器件、显微物镜、微米量级的透明介质小球、和用于固定所述微米量级的透明介质小球的盖玻片，径向偏振光束通过显微物镜初步聚焦后，再通过微米量级的透明介质小球进一步聚焦得到聚焦光斑。本发明利用单一光束作为系统工作光束，节约了系统成本，增加了实用性，同时聚焦后的光斑不但纵轴长度减小到0.17λ以下，而且光束质量也有提高，聚焦光斑横向尺寸也可达到系统本身的衍射极限以下，聚焦光斑体积尤其小，更有利于实际应用。

权利要求

1.一种基于透明介质小球的三维超分辨聚焦方法，其特征在于，包括：将径向偏振光束经过显微物镜进行初步聚焦成为汇聚光束，汇聚光束通过盖玻片入射到微米量级的透明介质小球进行聚焦，在所述的微米量级的透明介质小球的出射端得到聚焦光斑；

其中，所述的微米量级的透明介质小球的尺寸为1～10um，所述的微米量级的透明介质小球的折射率为1.4～2。

2.如权利要求1所述的基于透明介质小球的三维超分辨聚焦方法，其特征在于，采用显微物镜将所述的径向偏振光束进行初步聚焦得到汇聚光束，再入射到所述的微米量级的透明介质小球进行聚焦。

3.如权利要求1或2所述的基于透明介质小球的三维超分辨聚焦方法，其特征在于，所述的径向偏振光束由激光器发出的工作光束转换而来，所述的转换通过偏振转换器实现。

4.一种用于实现如权利要求1～3任一所述的基于透明介质小球的三维超分辨聚焦方法的装置，其特征在于，依次包括：用于产生径向偏振光束的器件；

用于将所述的径向偏振光束进行初步聚焦的显微物镜；

用于对所述的显微物镜的出射光进行进一步聚焦得到聚焦光斑的微米量级的透明介质小球；所述的微米量级的透明介质小球的尺寸为1～10um，所述的微米量级的透明介质小球的折射率为1.4～2；

用于固定所述微米量级的透明介质小球的盖玻片；

其中，所述的显微物镜、透明介质小球和盖玻片在所述的径向偏振光束的光路上。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述的微米量级的透明介质小球位于所述的显微物镜的焦平面附近。

6.如权利要求4或5所述的装置，其特征在于，所述的用于产生径向偏振光束的器件，为直接发出径向偏振光束的光源、或由激光光源和径向偏振转换器组成。

说明书

基于透明介质小球的三维超分辨聚焦方法及装置

技术领域

[0001] 本发明属于光学计量及超分辨成像领域，具体涉及一种实现超小聚焦场的三维超分辨聚焦方法及装置。

背景技术

[0002] 随着当下科技发展，接触到的对象趋向于小型化，需要制造的物体或需要观察的物体都越来越超越传统光学显微镜所能观察到的范围。究其原因是受到衍射极限的限制，聚焦光斑体积无法达到所需要的大小。在那些不断研究以用来改善这种状况的探索中，荧光探针的特异性使双光子荧光技术成为生命科学，半导体技术，光存储及平板微加工领域的重要技术。然而，由于二次激发对光照明强度的依赖，双光子激发仅局限于很小的聚焦体积，基于传统光学的双光子荧光技术空间分辨率仍然受到衍射极限的限制。为了寻求简单和高性价比的方法来实现纳米尺度的光束聚焦，更加准确的得到纳米尺度的信息或得到纳米结构，超越衍射极限的高强度光束聚焦就显得非常必要了。

发明内容

[0003] 本发明提供了一种基于透明介质小球的三维超分辨聚焦方法，将径向偏振与微小介质球相结合，并利用单一光束作为系统工作光束，节约了系统成本，增加了实用性，同时聚焦后的光斑不但纵轴长度减小到0.17λ以下，而且横向聚焦光斑尺寸也可达到系统本身的衍射极限以下，聚焦光斑的三维聚焦体积尤其小，更有利于实际应用。

[0004] 一种基于透明介质小球的三维超分辨聚焦方法，包括：将径向偏振光束入射到微米量级的透明介质小球进行聚焦，在所述的微米量级的透明介质小球的出射端得到聚焦光斑；其中，所述的微米量级的透明介质小球的尺寸为1～10um，所述的微米量级的透明介质小球的折射率为1.4～2。

[0005] 上述方法得到的聚焦光斑，为超小聚焦光斑，其尺寸在纵向和横向上都达到衍射极限以下，而纵向聚焦尺寸尤其小，可达到0.17λ以下。

[0006] 所述的径向偏振光束，是作为工作光束直接入射；也可以是由激光器发出的工作光束转换而来，所述的转换可以通过偏振转换器实现，也可以通过现有技术中其他方法实现。

[0007] 所述径向偏振光可以为平行光入射，也可以为汇聚光束作为工作光束入射，优选采用显微物镜将所述的径向偏振光束进行初步聚焦得到汇聚光束，再入射到所述的微米量级的透明介质小球进行聚焦。

[0008] 实际应用中，由上述方法得到的聚焦光斑照射到待观测物体上，由待观测物体反射的光束逆向返回，依次经过透明介质小球和显微物镜后，由外部成像处理系统将返回的信号收集，从而获取由该超小聚焦光斑探测到的待观测物体超小尺寸信息。

[0009] 本发明还提供了一种用于实现上述基于透明介质小球的三维超分辨聚焦方法的装置，依次包括：

[0010] 用于产生径向偏振光束的器件；

[0011] 用于将所述的径向偏振光束进行初步聚焦的显微物镜；

[0012] 用于对所述的显微物镜的出射光进行进一步聚焦得到聚焦光斑的微米量级的透明介质小球；所述的微米量级的透明介质小球的尺寸为1～10um，所述的微米量级的透明介质小球的折射率为1.4～2；

[0013] 用于固定所述微米量级的透明介质小球的盖玻片；

[0014] 其中，所述的显微物镜、透明介质小球和盖玻片在所述的径向偏振光束的光路上。

[0015] 本发明装置中，所述的用于产生径向偏振光束的器件，可以由激光光源和偏振转换器组成，由激光光源发出激光并经偏振转换器转换得到径向偏振光束；也可以为直接发出径向偏振光束的光源。偏振转换器可以为现有技术中实现圆柱形偏振光的转换的任何器件与装置，优选为瑞典ARCoptix公司的偏振转换器Radial-Azimuthal Polarization Converter。

[0016] 本发明装置中，优选所述的微米量级的透明介质小球位于所述的显微物镜的焦平面附近。

[0017] 由上述装置得到的聚焦光斑，其尺寸在纵向和横向上都达到衍射极限以下，而纵向聚焦尺寸尤其小，可达到0.17λ以下。

[0018] 本发明的工作原理如下：

[0019] 将激光器出射的工作光束，通过一个偏振装换器转换为径向偏振光束；而后，光束通过微米量级的透明介质小球聚焦，透明介质小球内的光子散射现象有利于产生倏逝波，有倏逝波参与下的光场更容易实现微小聚焦光斑。而径向偏振光束更有助于纵轴方向上的光斑尺寸压缩。从而，在微米量级的透明介质小球的出射端会得到一个横向和纵向尺寸小于衍射极限，纵向尺寸尤其小的聚焦光斑。

[0020] 常规透镜聚焦因为受到常规衍射极限的限制(0.61λ/NA)，无法得到更小的聚焦光斑。而本发明中，将微米量级的透明介质小球与径向偏振光结合，在利用透明介质小球内的光子散射现象产生倏逝波使横向上聚焦更小的同时，又利用径向偏振光避免了微小介质球的光子喷涌现象使纵向聚焦光场拉伸过远(有时长达2～3微米)的现象，从而获得聚焦尺寸非常小的超小三维聚焦光斑。

[0021] 相对于现有技术，本发明具有以下有益的技术效果：

[0022] (1)本发明结构简单，实现原理容易；

[0023] (2)本发明方法使用单一波长的偏振光作为工作光束，减少了光源数量，节省了系统成本，增加了实用性；

[0024] (3)采用本发明方法和装置得到的聚焦光斑在纵向上缩小到0.17λ以下的同时，横向直径可以压缩系统本身的衍射极限以下；

[0025] (4)本发明方法三维聚焦体积可达到0.11λ3以下，在单分子探测，荧光相关光谱等领域都有重要的应用价值。

附图说明

[0026] 图1为本发明的用于实现三维超分辨聚焦的方法原理图。

[0027] 图2为用于实现本发明的三维产分辨聚焦的装置的一种实施方式的示意图。

[0028] 图3为本发明中径向偏振光示意图。

[0029] 图4为采用本发明装置和方法产生的聚焦光斑在XZ平面内的光强分布示意图。

[0030] 图5为采用线偏振光取代径向偏振光的对比例中产生的聚焦光斑在XZ平面内的光强分布示意图。

[0031] 图6为采用本发明装置和方法产生的聚焦光斑与采用线偏振光取代径向偏振光的对比例中产生的聚焦光斑在X轴方向的光强分布对比示意图。

[0032] 图7为采用本发明装置和方法产生的聚焦光斑与采用线偏振光取代径向偏振光的对比例中产生的聚焦光斑在Z轴方向的光强分布对比示意图。

具体实施方式

[0033] 下面结合附图和实施例来详细说明本发明，但本发明并不仅限于此。

[0034] 如图2所示，一种用于实现三维超分辨聚焦的装置，依次包括：光源1、显微物镜4、盖玻片3和透明介质小球2。显微物镜4、透明介质小球2和盖玻片3均位于光源1出射光束的光路上，透明介质小球2为微米量级的透明介质小球，尺寸为1～10um，折射率为1.4～2，透明介质小球2位于显微物镜4的焦平面附近，并由盖玻片3固定，在透明介质小球2的出射端就可得到超小聚焦光斑，用于照射或探测样品5以得到其纳米尺度的信息。

[0035] 光源1直接产生径向偏振光束，径向偏振光的特点如图3所示，每点的偏振方向都是沿着径向方向，所有的偏振方向构成一个发散束。其中光束内的每一点的光偏振方向(在x轴的光偏振方向Px、在y轴的光偏振方向Py、在z轴的光偏振方向Pz)可由以下单位矩阵表示：

[0036]

[0037] 式中，为光束垂直Z轴剖面内位置极坐标矢量与X轴的夹角。

[0038] 上述的径向偏振光束经过显微物镜4进行初步聚焦成为汇聚光束，汇聚光束通过盖玻片3入射到透明介质小球2进行进一步聚焦，在透明介质小球2的出射端会得到聚焦光斑，其尺寸在纵向和横向上都达到衍射极限以下，而纵向聚焦尺寸尤其小，用于照射或探测样品5以得到其纳米尺度的信息。

[0039] 上述的聚焦光斑在XZ平面内的光强分布示意图如图4所示，在X轴方向的光强分布如图6中实线所示，在Z轴方向的光强分布如图7中实线所示。由图5～7可见，该聚焦光斑为超小三维聚焦光斑，在纵向即z轴方向上的半高全宽为0.169λ，在横向上即XZ面内半高全宽为0.395λ。而常规透镜聚焦因为受到常规衍射极限的限制(0.61λ/NA)，无法得到这样小的聚焦光斑。

[0040] 上述的装置还可以有很多变形，如光源1也可以用激光光源和偏振转换器组成的器件取代，这样，由激光光源发出激光，再经偏振转换器转换得到径向偏振光束。偏振转换器可采用瑞典ARCoptix公司的Radial-Azimuthal Polarization Converter。再如，也可以不采用显微物镜4，径向偏振光束直接入射到透明介质小球2进行聚焦，如图1所示。

[0041] 实际应用中，样品5上的聚焦光斑，被样品5反射并使得光束逆向返回，依次经过透明介质小球和显微物镜后，由外部成像处理系统将返回的信号收集，从而获取由该聚焦光斑探测到样品5的超小尺寸信息。

[0042] 为了进行对比，这里还给出了采用线偏振光替代径向偏振光的对比例。即，光源1选用激光光源，发出线偏振光，经过显微物镜4聚焦，在透明介质小球2的后方可得到聚焦光斑。该聚焦光斑在XZ平面内的光强分布示意图如图5所示，在X轴方向的光强分布如图6中虚线所示，在Z轴方向的光强分布如图7中虚线所示。由图5～7可见，该聚焦光斑为一个小的三维聚焦光斑，在纵向即Z轴方向上的半高全宽为0.827λ，在横向上即XZ面内半高全宽为0.414λ。

[0043] 对比可以发现，本发明采取径向偏振光束为工作光束时，经过透明介质小球2聚焦得到的光斑不但在横向半高全宽低于对比例(线偏振光束为工作光束)，而且，纵向上相对于对比例(线偏振光束为工作光束)来讲缩小了4.8倍以上，更有利于在三维超分辨显示、单分子探测、荧光相关光谱等领域的实际应用。