純相位空間光調(diào)制器在STED超分辨與全息光鑷中的應(yīng)用

一、引言

由于普通光學(xué)顯微鏡會(huì)受到光學(xué)衍射極限的限制，分辨率只能達(dá)到可見光波長的一半左右，也就是200-300nm。而新型冠狀病毒的直徑大小是100nm左右。為了能夠更精細(xì)地觀測(cè)到生物樣本，需要突破衍射極限的限制。進(jìn)一步提升光學(xué)顯微系統(tǒng)的分辨率。使用純相位液晶空間光調(diào)制器（SLM）對(duì)光場(chǎng)進(jìn)行調(diào)制，產(chǎn)生一個(gè)空心光束可以有辦法提升系統(tǒng)的橫向分辨率。不同于電子顯微鏡、近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡的方法，這種遠(yuǎn)場(chǎng)光學(xué)顯微技術(shù)能夠滿足生物活體樣品的觀測(cè)需要。同樣原理，高分辨率的液晶空間光調(diào)制器通過精細(xì)的相位調(diào)制可以產(chǎn)生多光阱，從而對(duì)微粒實(shí)時(shí)操控，由此發(fā)展了全息光鑷技術(shù)。

美國Meadowlark Optics 公司專注于模擬尋址純相位空間光調(diào)制器的設(shè) 計(jì)、開發(fā)和制造，有40多年的歷史，該公司空間光調(diào)制器產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于自適應(yīng)光學(xué)，散射或渾濁介質(zhì)中的成像，雙光子/三光子顯微成像，光遺傳學(xué)，全息光鑷(HOT)，脈沖整形，光學(xué)加密，量子計(jì)算，光通信，湍流模擬等領(lǐng)域。其高分辨率、高刷新率、高填充因子的特點(diǎn)適用于生物成像及微操縱的工程中。

圖1. Meadowlark 2022年最新推出 1024 x 1024 1K刷新率SLM

二、空間光調(diào)制器在STED超分辨中的技術(shù)介紹

普通的遠(yuǎn)場(chǎng)熒光顯微鏡，使用聚焦的遠(yuǎn)場(chǎng)光束照射熒光分子，由于衍射效應(yīng)的存在，樣品上形成一個(gè)有限尺寸的光斑，光斑之內(nèi)的熒光分子全部被激發(fā)并發(fā)出熒光。因此光斑內(nèi)的樣品的細(xì)節(jié)特征無法被分辨，激發(fā)光斑的尺寸難以改變，但如果可以使光斑內(nèi)周圍區(qū)域的熒光分子處于某種暗態(tài)而不發(fā)光，那么探測(cè)器只能檢測(cè)到光斑中心區(qū)域處于亮態(tài)的熒光分子。這樣就減小了樣品的有效發(fā)光面積，從而突破了衍射極限的限制。

熒光分子需要在激發(fā)態(tài)進(jìn)行自發(fā)輻射發(fā)出熒光，因此激發(fā)態(tài)是亮態(tài)，STED中采用熒光分子的基態(tài)作為暗態(tài)。強(qiáng)制使得熒光分子處于暗態(tài)的機(jī)制采用受激輻射。當(dāng)激發(fā)光光斑內(nèi)的熒光分子吸收了激發(fā)光處于激發(fā)態(tài)后，用另一束STED光束照射樣品，使損耗光斑范圍內(nèi)的分子以受激輻射的方式回到基態(tài)，從而失去發(fā)射熒光的能力。即熒光萃滅。這個(gè)過程就叫做受激發(fā)射損耗。

只有損耗光強(qiáng)為零或較低的區(qū)域內(nèi)的熒光分子能夠以自發(fā)輻射的形式回到激態(tài)發(fā)出熒光，這樣就實(shí)現(xiàn)了有效發(fā)光面積的減小。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，損耗光聚焦后的光斑需要滿足邊緣光強(qiáng)較大，而中心趨于零的條件，一般采用的是環(huán)形的空心光斑，如圖2所示。

圖2. 激發(fā)光斑（a），渦旋光（b），強(qiáng)度分布的線掃描（c）,熒光疊加光斑（d）.

傳統(tǒng)的方法可以用螺旋相位板來產(chǎn)生這樣的渦旋光束，但是使用純相位空間光調(diào)制器產(chǎn)生這樣的渦旋光，具有更高的靈活性。通過改變拓?fù)浜蓴?shù)就可以改變空心區(qū)域的面積，從而產(chǎn)生不同大小的損耗光，來提升STED系統(tǒng)的分辨率。

三、空間光調(diào)制器在全息光鑷中的技術(shù)介紹

光鑷可用于操縱具有不同材料特性的微粒，大小從十幾納米到十幾微米。可操縱的微粒包括細(xì)胞生物組織、介質(zhì)球、金屬球、金屬微納殼、碳納米管、氣泡、甚至是空氣中的水滴。

圖3一個(gè)由26個(gè)直徑0.99um的膠體二氧化硅球組成的五邊形圖案。五邊形圖案用動(dòng)態(tài)全息光鑷操控成一個(gè)圓形。(a) 原始配置。(b) 經(jīng)過16個(gè)步驟。(c) 38步之后的最終位置。

傳統(tǒng)光鑷技術(shù)通常使用光束偏轉(zhuǎn)器(如掃描振鏡或者聲光調(diào)制器)來實(shí)現(xiàn)多微粒捕獲與操縱。這些方法受限于器件的掃描頻率或者光束偏轉(zhuǎn)角的大小，難以產(chǎn)生大陣列光阱。而基于純相位液晶空間光調(diào)制器可以靈活地產(chǎn)生任意排布的光阱陣列,具有比傳統(tǒng)單光鑷更高的靈活性。

空間光調(diào)制器（Spatial Light Modulator，SLM）作為全息光鑷的核心器件之一，它通過調(diào)制入射光波前，在物鏡焦區(qū)得到預(yù)期的光場(chǎng)以對(duì)微粒進(jìn)行捕獲與操縱。Meadowlark 全息光鑷系統(tǒng)可以產(chǎn)生多達(dá)100多個(gè)光阱。

圖4. 全息光鑷系統(tǒng)

圖5. 點(diǎn)陣圖

四、液晶空間光調(diào)制器的要求

1. 光利用率

對(duì)于光鑷應(yīng)用來說，入射光功率影響著粒子操控的動(dòng)力。因此空間光調(diào)制器的光利用率十分重要，光路中通常也會(huì)選擇小角度入射的方式來提高光利用率。

Meadowlark公司能提供標(biāo)速版95.6%的空間光調(diào)制器，分辨率達(dá)1920x1200，高刷新率版像素1024x1024，填充因子97.2%和dielectric mirror coated版本（100%填充率）。鍍介電膜版本的SLM反射率可以達(dá)到100%，一級(jí)衍射效率可以達(dá)到98%，且具有高損傷閾值，承受更高的功率。

2.刷新率（最高可達(dá)1K Hz）

高速度可以實(shí)現(xiàn)多微粒的實(shí)時(shí)操控，通常成像選擇紅外范圍，Meadowlark SLM 能夠提供1064nm 幾百赫茲的刷新速度。

3. 分辨率（1920x1200）

高分辨率的SLM是創(chuàng)建三維定位所需的復(fù)雜相位函數(shù)的理想選擇，如此能夠?qū)γ總€(gè)小像元區(qū)域的光場(chǎng)進(jìn)行自由調(diào)控。

上海昊量光電作為Medowlark在中國大陸地區(qū)總代理商，為您提供專業(yè)的選型以及技術(shù)服務(wù)。對(duì)于Meadowlark SLM有興趣或者任何問題，都?xì)g迎通過電話、電子郵件或者微信與我們聯(lián)系。

關(guān)于昊量光電：

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審核編輯：湯梓紅