純相位空(kong)間光(guang)調制器在STED超(chao)分辨與全息(xi)光(guang)鑷中的應用

一、 引言

由于普通光學顯微鏡會受到光學衍射(she)極限的限制，分辨率只能達到可見光波長的一半左右，也就是200-300nm。而新型guan狀病毒的直徑大小是100nm左右。為了能夠更精細地觀測到生物樣本，需要突破衍射極限的限制。進一步提升光學顯微系統的分辨率。使用純相位液晶空間光調制器（SLM）對光場進行調制，產生一個空心光(guang)束(shu)可以有辦法提升系統的橫向分辨率。不同于電子顯微鏡、近場光學顯微鏡的方法，這種遠場光學顯微技術能夠滿足生物活體樣品的觀測需要。同樣原理，高分辨率的液晶空間光調制器通過精細的相位調制可以產生多光阱，從而對微粒實時操控，由此發展了全(quan)息光(guang)鑷技術。

美國Meadowlark Optics 公司專注于模擬尋址純相位空間光調制器的設 計、開發和制造，有40多年的歷史，該公司空間(jian)光調制器產品(pin)廣泛(fan)應(ying)用于自適(shi)應(ying)光學，散(san)射或渾(hun)濁介質中的(de)成(cheng)(cheng)像(xiang)，雙光子(zi)(zi)/三光子(zi)(zi)顯微(wei)成(cheng)(cheng)像(xiang)，光遺傳學，全息光鑷(HOT)，脈沖整形，光學加密(mi)，量(liang)子(zi)(zi)計(ji)算(suan)，光通信，湍流模擬等領域。其高(gao)分辨率(lv)、高(gao)刷(shua)新率(lv)、高(gao)填(tian)充因(yin)子(zi)(zi)的(de)特點適(shi)用于生物成(cheng)(cheng)像(xiang)及微(wei)操(cao)縱(zong)的(de)工(gong)程中。

圖1. Meadowlark 2022年(nian)最新推出 1024 x 1024 1K刷新率(lv)SLM

二、 空間光調(diao)制器在STED超(chao)分辨(bian)中(zhong)的(de)技(ji)術介紹

普(pu)通的(de)(de)(de)(de)遠場熒(ying)光(guang)(guang)(guang)顯微(wei)鏡(jing)，使用(yong)聚焦的(de)(de)(de)(de)遠場光(guang)(guang)(guang)束照射(she)(she)熒(ying)光(guang)(guang)(guang)分(fen)(fen)子，由于(yu)衍射(she)(she)效應的(de)(de)(de)(de)存在，樣(yang)品上形(xing)成一(yi)個有(you)限尺(chi)寸的(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)斑(ban)，光(guang)(guang)(guang)斑(ban)之內的(de)(de)(de)(de)熒(ying)光(guang)(guang)(guang)分(fen)(fen)子全(quan)部(bu)被激(ji)發(fa)并發(fa)出(chu)熒(ying)光(guang)(guang)(guang)。因此(ci)光(guang)(guang)(guang)斑(ban)內的(de)(de)(de)(de)樣(yang)品的(de)(de)(de)(de)細節(jie)特征無法(fa)被分(fen)(fen)辨(bian)，激(ji)發(fa)光(guang)(guang)(guang)斑(ban)的(de)(de)(de)(de)尺(chi)寸難(nan)以改變，但如果(guo)可以使光(guang)(guang)(guang)斑(ban)內周圍(wei)區域(yu)的(de)(de)(de)(de)熒(ying)光(guang)(guang)(guang)分(fen)(fen)子處于(yu)某種暗態而不發(fa)光(guang)(guang)(guang)，那么探測(ce)器(qi)只能檢測(ce)到(dao)光(guang)(guang)(guang)斑(ban)中心(xin)區域(yu)處于(yu)亮態的(de)(de)(de)(de)熒(ying)光(guang)(guang)(guang)分(fen)(fen)子。這樣(yang)就減小了樣(yang)品的(de)(de)(de)(de)有(you)效發(fa)光(guang)(guang)(guang)面積(ji)，從而突破(po)了衍射(she)(she)極限的(de)(de)(de)(de)限制。

熒光分子需要在激發態進行自發輻射發出熒光，因此激發態是亮態，STED中采用熒光分子的基態作為暗態。強制使得熒光分子處于暗態的機制采用受激輻射。當激發光光斑內的熒光分子吸收了激發光處于激發態后，用另一束STED光束照射樣品，使損耗光斑范圍內的分子以受激輻射的方式回到基態，從而失去發射熒光的能力。即熒光萃滅。這個過程就叫做受激發射損(sun)耗。

只有(you)損(sun)耗光(guang)強(qiang)為(wei)零(ling)(ling)或(huo)較低的(de)(de)區域內的(de)(de)熒(ying)光(guang)分子能(neng)夠以自發輻射的(de)(de)形式回到激態(tai)發出熒(ying)光(guang)，這樣就實(shi)現了有(you)效(xiao)發光(guang)面積(ji)的(de)(de)減(jian)小(xiao)。為(wei)了實(shi)現上述目的(de)(de)，損(sun)耗光(guang)聚焦后的(de)(de)光(guang)斑需要滿足(zu)邊緣光(guang)強(qiang)較大，而中心(xin)趨于零(ling)(ling)的(de)(de)條件，一般采用的(de)(de)是環形的(de)(de)空(kong)心(xin)光(guang)斑，如圖2所示。

圖2. 激發光(guang)斑（a），渦旋光（b），強度分布的(de)線(xian)掃描（c）,熒光疊(die)加(jia)光斑（d）.

    傳統的(de)(de)方(fang)法可以(yi)用螺旋(xuan)相位板來產(chan)(chan)生這樣(yang)的(de)(de)渦旋(xuan)光束，但是使用純相位空間光調(diao)制器(qi)產(chan)(chan)生這樣(yang)的(de)(de)渦旋(xuan)光，具有更(geng)高(gao)的(de)(de)靈活性。通過改變拓(tuo)撲荷數就可以(yi)改變空心(xin)區域的(de)(de)面積(ji)，從而產(chan)(chan)生不(bu)同大小的(de)(de)損耗光，來提升STED系統的(de)(de)分辨率。

三、空(kong)間光調制(zhi)器在全息光鑷(nie)中(zhong)的技術(shu)介紹

光(guang)鑷(nie)可(ke)用(yong)于操縱具(ju)有(you)不同材(cai)料(liao)特性(xing)的微(wei)粒(li)，大小從十幾(ji)納米(mi)(mi)到十幾(ji)微(wei)米(mi)(mi)。可(ke)操縱的微(wei)粒(li)包括細胞生物組織、介質球、金屬(shu)球、金屬(shu)微(wei)納殼、碳納米(mi)(mi)管(guan)、氣泡、甚(shen)至(zhi)是空氣中的水(shui)滴。

圖(tu)3一個由26個直徑0.99um的(de)膠體二氧化硅球組成的(de)五邊形(xing)圖案。五邊形(xing)圖案用動態全息光(guang)鑷操(cao)控成一個圓形(xing)。(a) 原始配置。(b) 經過16個步驟。(c) 38步之后的最終位(wei)置。

傳統光(guang)(guang)鑷技術通常使用光(guang)(guang)束(shu)偏轉(zhuan)器(如(ru)掃(sao)描(miao)振鏡或者聲光(guang)(guang)調制器)來(lai)實現多微粒捕獲與操縱。這些方法受限于器件的(de)掃(sao)描(miao)頻率或者光(guang)(guang)束(shu)偏轉(zhuan)角(jiao)的(de)大小，難以(yi)產生大陣列(lie)光(guang)(guang)阱。而基于純相位液晶(jing)空間光(guang)(guang)調制器可(ke)以(yi)靈活(huo)地產生任意排布的(de)光(guang)(guang)阱陣列(lie),具有(you)比(bi)傳統單光(guang)(guang)鑷更(geng)高的(de)靈活(huo)性。

空間光(guang)調制器(qi)（Spatial Light Modulator，SLM）作為全息光(guang)(guang)鑷的(de)核心器件之一，它通過調(diao)制入射(she)光(guang)(guang)波前，在物(wu)鏡(jing)焦區得到預期的(de)光(guang)(guang)場(chang)以對(dui)微粒(li)進行捕獲與操(cao)縱。Meadowlark 全息光(guang)(guang)鑷系統可以產生多達100多個(ge)光(guang)(guang)阱(jing)。

圖(tu)4. 全(quan)息光鑷系統

圖5. 點陣圖

四(si)、液(ye)晶(jing)空間光調制器的要求

1.     光(guang)利用率

對于光(guang)(guang)鑷應用(yong)來說，入(ru)射光(guang)(guang)功率影響著粒子操控(kong)的動力(li)。因此空間光(guang)(guang)調制器的光(guang)(guang)利用(yong)率十分重要(yao)，光(guang)(guang)路中通常(chang)也(ye)會選擇(ze)小(xiao)角度(du)入(ru)射的方(fang)式(shi)來提(ti)高光(guang)(guang)利用(yong)率。

Meadowlark公司能(neng)提供標速版(ban)95.6%的(de)(de)空間光調制器，分辨(bian)率(lv)達(da)1920x1200，高(gao)(gao)刷新率(lv)版(ban)像素1024x1024，填充因子97.2%和dielectric mirror coated版(ban)本(ben)（100%填充率(lv)）。鍍(du)介電膜版(ban)本(ben)的(de)(de)SLM反(fan)射(she)(she)率(lv)可以(yi)達(da)到*，一級衍射(she)(she)效(xiao)率(lv)可以(yi)達(da)到98%，且(qie)具有高(gao)(gao)損傷閾值，承受更高(gao)(gao)的(de)(de)功率(lv)。

2. 刷新(xin)率（最高(gao)可達1K Hz） 

高(gao)速度(du)可(ke)以實現多微粒(li)的實時操控，通(tong)常成像選擇紅外范(fan)圍(wei)，Meadowlark SLM 能夠提(ti)供1064nm 幾百(bai)赫茲的刷新速度(du)。

3.  分辨率（1920x1200）

高分辨率的(de)SLM是創建三(san)維(wei)定(ding)位所需的(de)復雜相位函(han)數(shu)的(de)理想(xiang)選(xuan)擇，如此能夠(gou)對每個小像元區(qu)域的(de)光場進行自由(you)調控。

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