純相位空間光調(diào)制器在STED超分辨與全息光鑷中的應用
一、 引言
由于普通光學顯微鏡會受到光學衍射極限的限制,，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(tǒng)的分辨率,。使用純相位液晶空間光調(diào)制器（SLM）對光場進行調(diào)制,，產(chǎn)生一個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(diào)制器通過精細的相位調(diào)制可以產(chǎn)生多光阱,，從而對微粒實時操控，由此發(fā)展了全息光鑷技術,。
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 計,、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)品廣泛應用于自適應光學,，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,，全息光鑷(HOT)，脈沖整形,，光學加密,，量子計算,，光通信，湍流模擬等領域,。其高分辨率,、高刷新率、高填充因子的特點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超分辨中的技術介紹
普通的遠場熒光顯微鏡，使用聚焦的遠場光束照射熒光分子,，由于衍射效應的存在,，樣品上形成一個有限尺寸的光斑，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,，那么探測器只能檢測到光斑中心區(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),。強制使得熒光分子處于暗態(tài)的機制采用受激輻射,。當激發(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,。這個過程就叫做受激發(fā)射損耗,。
只有損耗光強為零或較低的區(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,，這樣就實現(xiàn)了有效發(fā)光面積的減小,。為了實現(xiàn)上述目的，損耗光聚焦后的光斑需要滿足邊緣光強較大,，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,。通過改變拓撲荷數(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3一個由26個直徑0.99um的膠體二氧化硅球組成的五邊形圖案,。五邊形圖案用動態(tài)全息光鑷操控成一個圓形。(a) 原始配置,。(b) 經(jīng)過16個步驟,。(c) 38步之后的最終位置。
傳統(tǒng)光鑷技術通常使用光束偏轉(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)得到預期的光場以對微粒進行捕獲與操縱,。Meadowlark 全息光鑷系統(tǒng)可以產(chǎn)生多達100多個光阱。
圖4. 全息光鑷系統(tǒng)
圖5. 點陣圖
四,、液晶空間光調(diào)制器的要求
1. 光利用率
對于光鑷應用來說,，入射光功率影響著粒子操控的動力。因此空間光調(diào)制器的光利用率十分重要,，光路中通常也會選擇小角度入射的方式來提高光利用率,。
Meadowlark公司能提供標速版95.6%的空間光調(diào)制器，分辨率達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反射率可以達到*,，一級衍射效率可以達到98%,，且具有高損傷閾值,，承受更高的功率。
2. 刷新率（最高可達1K Hz）
高速度可以實現(xiàn)多微粒的實時操控,，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雜相位函數(shù)的理想選擇,，如此能夠?qū)γ總€小像元區(qū)域的光場進行自由調(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)的選型以及技術服務,。對于Meadowlark SLM有興趣或者任何問題,，都歡迎通過電話、電子郵件或者微信與我們聯(lián)系,。
上海昊量光電設備有限公司是光電產(chǎn)品專業(yè)代理商,，產(chǎn)品包括各類激光器、光電調(diào)制器,、光學測量設備,、光學元件等，涉及應用涵蓋了材料加工,、光通訊,、生物醫(yī)療、科學研究,、國防,、量子光學、生物顯微,、物聯(lián)傳感,、激光制造等；可為客戶提供完整的設備安裝,，培訓,，硬件開發(fā)，軟件開發(fā),，系統(tǒng)集成等服務,。
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