实验产生超分辨光学聚焦暗斑

姜利平++刘玲玲++朱厚飞++王海凤

摘要：

用二元相位器件调制角向偏振激光光束，然后用高数值孔径物镜聚焦，在实验上产生了一个超分辨光学聚焦暗斑。二元相位器件的调制作用是通过让角向偏振光束经一块刻有多环同心环状凹槽的玻璃基板实现的。用刀口法检测了焦点附近的3D光束分布特性，得到了尺寸是0.32 λ且在4 λ左右的长度内保持不变的超分辨暗斑。这样的光学聚焦暗斑可能会应用于超分辨显微技术和光学捕获。

关键词：

光学设计及制作； 二元光学器件； 光电探测器； 偏振态

中图分类号： O 432 文献标志码： 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

超分辨聚焦光斑广泛应用于扫描光学显微技术。在受激发射损耗（STED）显微镜[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显微镜中的激发光源，激发荧光分子；聚焦暗光斑用作显微镜中的抑制光源，抑制边缘荧光分子发射荧光，当二者结合在一起时便可得到纳米量级的有效光斑。聚焦暗光斑的尺寸越小，有效光斑的尺寸也就越小。对于聚焦亮光斑，研究最多的是径向偏振光束通过高数值孔径（NA）聚焦后得到超分辨的亮斑，尺寸接近衍射极限为0.36 λ[35]。对于聚焦暗光斑的产生方法有很多，有径向偏振光加涡旋后聚焦或者圆偏振光加一阶或二阶涡旋后再聚焦得到，而效果相对较好的要数角向偏振光聚焦后得到的暗斑，目前理论计算达到的水平为半峰值全宽度（FWHM）为0.29 λ[67]。为了减小有效光斑的尺寸并实现超分辨，单纯地靠角向偏振光束聚焦后得到的暗斑远远不够，需要对角向偏振光束的相位或振幅进行调节。目前调节角向偏振光的方法有：空间光调制器法[89]、全息相位干板法[10]、衍射光学元件法[11]、二元光学器件法[1213]等。暗斑尺寸在亚波长级别可使得STED显微镜达到更高的分辨率，暗斑焦深变长可能使得STED显微镜实现三维立体扫描，可观察到生物组织之间物质的传输与交换或分子内部更精细的结构，这对生物医学以及分子结构的研究来说意义重大。虽然这些方法在仿真的条件下确实可以达到很好的效果，但是对于高数值孔径透镜聚焦在实验上操作又存在难度，因为得到的质量好的暗斑在焦点前后，要对这样的暗斑进行测量以验证方法的可靠性，我们需要纳米量级的移动平台以及特殊的检测器对光强进行测量。

实验中用角向偏振光束照明，在数值孔径为0.95的显微物镜的光阑处放置二元光学器件，二元光学器件调节相位的结果不仅在横向减小了暗斑的尺寸，而且在纵向延长了焦斑的焦深。在焦点附近得到了超分辨暗斑。十字形刀口检测器置于纳米平台上以检测光斑的尺寸以及光强分布。

式中：β和γ是结构参数，表示光瞳半径与束腰的比值，二者取值1。用拉盖尔高斯光束照明时，聚焦透镜的NA值为0.95（α≈71.8°），聚焦暗斑的尺寸即FWHM为0.4 λ，非发散（或发散角很小）区域的长度为2 λ。

然而，我们希望得到的超分辨聚焦暗区域是暗斑尺寸很小且焦深很长的光束来作为STED显微镜的抑制光源，所以，我们放置了一个特制的二元光学器件，这里的二元光学器件是一块玻璃基板上刻有五个相位为0和π的环带凹槽交替组成的，环带宽度对应着角度θ。当增加了这种二元光学器件之后，式（1）～式（4）中的函数e（θ）就被改写为T（θ）e（θ），这里T（θ）为该器件的透过率函数，它的表达式为

当增加了该二元光学器件后，由于光束的相位得到相应的调制，使得在焦点附近的光束干涉相长，压缩了未经调制的角向偏振光束的暗斑尺寸的大小。我们理论上得到光学管道的长度增加到4 λ，超分辨聚焦暗斑的尺寸减小为0.32 λ。如图1所示，（a）、（b）分别为未加和加了二元器件后焦平面上的光强分布，（c）中给出了使用二元光学器件前后焦点处光强分布图以及沿X轴的强度分布对比，虚线曲线表示未使用二元光学器件时X轴的强度分布，实线曲线表示使用了二元光学器件时X轴的强度分布。