實驗產生超分辨光學聚焦暗斑

姜利平++劉玲玲++朱厚飛++王海鳳

摘要：

用二元相位器件調制角向偏振激光光束，然后用高數值孔徑物鏡聚焦，在實驗上產生了一個超分辨光學聚焦暗斑。二元相位器件的調制作用是通過讓角向偏振光束經一塊刻有多環同心環狀凹槽的玻璃基板實現的。用刀口法檢測了焦點附近的3D光束分布特性，得到了尺寸是0.32 λ且在4 λ左右的長度內保持不變的超分辨暗斑。這樣的光學聚焦暗斑可能會應用于超分辨顯微技術和光學捕獲。

關鍵詞：

光學設計及制作； 二元光學器件； 光電探測器； 偏振態

中圖分類號： O 432 文獻標志碼： A doi： 10.3969/j.issn.10055630.2016.01.007

Experimental generation of a superresolution optical dark focused spot

JIANG Liping， LIU Lingling， ZHU Houfei， WANG Haifeng

（School of OpticalElectrical and Computer Engineering， University of Shanghai for

Science and Technology， Shanghai 200093， China）

Abstract：

We generate a superresolution optical dark focused spot by tightly focusing a binary phase modulated azimuthally polarized laser beam. The binary phase modulation is realized by letting the azimuthally polarized light pass through a glass substrate with multibelt concentric ring grooves. We also characterize the 3D beam profile by using knifeedge method. The size of the superresolution dark spot is found to be 0.32 λ， which remains unchanged for ～4 λ within the tube. Thus optical spot may find applications in superresolution microscopy and optical trapping.

Keywords： optical design and fabrication； binary optics； photodetector； polarization

引 言

超分辨聚焦光斑廣泛應用于掃描光學顯微技術。在受激發射損耗（STED）顯微鏡[12]中既有聚焦亮光斑也有聚焦暗光斑，其中聚焦亮光斑用作顯微鏡中的激發光源，激發熒光分子；聚焦暗光斑用作顯微鏡中的抑制光源，抑制邊緣熒光分子發射熒光，當二者結合在一起時便可得到納米量級的有效光斑。聚焦暗光斑的尺寸越小，有效光斑的尺寸也就越小。對于聚焦亮光斑，研究最多的是徑向偏振光束通過高數值孔徑（NA）聚焦后得到超分辨的亮斑，尺寸接近衍射極限為0.36 λ[35]。對于聚焦暗光斑的產生方法有很多，有徑向偏振光加渦旋后聚焦或者圓偏振光加一階或二階渦旋后再聚焦得到，而效果相對較好的要數角向偏振光聚焦后得到的暗斑，目前理論計算達到的水平為半峰值全寬度（FWHM）為0.29 λ[67]。為了減小有效光斑的尺寸并實現超分辨，單純地靠角向偏振光束聚焦后得到的暗斑遠遠不夠，需要對角向偏振光束的相位或振幅進行調節。目前調節角向偏振光的方法有：空間光調制器法[89]、全息相位干板法[10]、衍射光學元件法[11]、二元光學器件法[1213]等。暗斑尺寸在亞波長級別可使得STED顯微鏡達到更高的分辨率，暗斑焦深變長可能使得STED顯微鏡實現三維立體掃描，可觀察到生物組織之間物質的傳輸與交換或分子內部更精細的結構，這對生物醫學以及分子結構的研究來說意義重大。雖然這些方法在仿真的條件下確實可以達到很好的效果，但是對于高數值孔徑透鏡聚焦在實驗上操作又存在難度，因為得到的質量好的暗斑在焦點前后，要對這樣的暗斑進行測量以驗證方法的可靠性，我們需要納米量級的移動平臺以及特殊的檢測器對光強進行測量。

實驗中用角向偏振光束照明，在數值孔徑為0.95的顯微物鏡的光闌處放置二元光學器件，二元光學器件調節相位的結果不僅在橫向減小了暗斑的尺寸，而且在縱向延長了焦斑的焦深。在焦點附近得到了超分辨暗斑。十字形刀口檢測器置于納米平臺上以檢測光斑的尺寸以及光強分布。

式中：β和γ是結構參數，表示光瞳半徑與束腰的比值，二者取值1。用拉蓋爾高斯光束照明時，聚焦透鏡的NA值為0.95（α≈71.8°），聚焦暗斑的尺寸即FWHM為0.4 λ，非發散（或發散角很小）區域的長度為2 λ。

然而，我們希望得到的超分辨聚焦暗區域是暗斑尺寸很小且焦深很長的光束來作為STED顯微鏡的抑制光源，所以，我們放置了一個特制的二元光學器件，這里的二元光學器件是一塊玻璃基板上刻有五個相位為0和π的環帶凹槽交替組成的，環帶寬度對應著角度θ。當增加了這種二元光學器件之后，式（1）～式（4）中的函數e（θ）就被改寫為T（θ）e（θ），這里T（θ）為該器件的透過率函數，它的表達式為

當增加了該二元光學器件后，由于光束的相位得到相應的調制，使得在焦點附近的光束干涉相長，壓縮了未經調制的角向偏振光束的暗斑尺寸的大小。我們理論上得到光學管道的長度增加到4 λ，超分辨聚焦暗斑的尺寸減小為0.32 λ。如圖1所示，（a）、（b）分別為未加和加了二元器件后焦平面上的光強分布，（c）中給出了使用二元光學器件前后焦點處光強分布圖以及沿X軸的強度分布對比，虛線曲線表示未使用二元光學器件時X軸的強度分布，實線曲線表示使用了二元光學器件時X軸的強度分布。