[发明专利]一种基于径向偏振光束的手性和频产生显微镜及成像方法

说明书

本发明公开了一种基于径向偏振光束的手性和频产生显微镜及成像方法。本发明采用第一激发光为径向偏振光束，在焦点处产生沿光轴方向纵向偏振的电场，配合线性偏振的第二激发光共同激发，从而在两束激发光共线排布的情形下产生了能沿光轴传播的手性和频信号光；第一激发光为径向偏振光束，与第二激发光覆盖激发物镜的入瞳，从而样品的图像达到衍射极线的分辨率，并且第一与第二激发光在激发物镜中的分布是旋转对称的，因此样品的图像具有均一的横向分别率；本发明能够在共线光路设置中实现手性和频产生，明显降低了光路调节难度，而且消除了手性和频产生显微技术与其他显微技术相集成的障碍，可作为多模态显微镜的一部分。

技术领域

本发明涉及显微镜技术，具体涉及一种基于径向偏振光束的手性和频产生显微镜及其成像方法。

背景技术

手性光学显微成像技术在生物成像、材料表征等领域有广泛的应用并产生了重大的影响。其中手性和频产生显微镜是一种在点扫描式显微镜的基础上，利用被成像手性物质本身的非线性光学性质进行成像的显微技术，相较于其他类型的手性光学显微技术，其不需要对样品进行标记就同时具有化学、手性特异性，因此其灵敏度足以探测被埋没在表面以下的手性单分子层，可对细胞、药物、人工微结构等材料进行实时的非标记成像，在生物成像、表面科学等领域有重要的应用，并在纳米材料研究以及光存储领域提供了一种新的可行的方法。

手性和频产生显微技术需要角频率不同的两束超快光脉冲进行照明。两束线性偏振光其中一束为第一激发光(其角频率为ω₁，电场为)，另一束光为第二激发光(其角频率为ω₂，电场为)。两束光经过透镜或显微物镜聚焦后，其焦点重合在手性样品中同一位置进行激发，利用样品本身的非线性光学性质，产生一束角频率等于两束激发光角频率之和的和频信号光(其角频率为ω_s＝ω₁+ω₂，电场为)，随后通过探测信号光的强度、偏振、相位信息来获得具有手性特异性的衬比度，并将焦点在样品中扫描进行成像。

目前手性和频产生显微的装置必须使用两束激发光不共线的光路设置，即两束光交叉聚焦在样品中，因此难以集成到具有唯一的光轴的显微镜里，进而通常只使用数值孔径较小的单透镜进行聚焦，导致分辨率较低，在10～100微米左右。而必须使用非共线激发光路的原因在于，手性和频产生的基础原理要求：即信号光的偏振方向必然垂直于第一、第二激发光偏振所在的平面，且电场大小正比于E₁·E₂·sinθ(θ为的夹角)。假如两束激发光共线沿显微镜光轴传播且偏振相互平行那么聚焦焦点处不产生信号；假如两束激发光共线沿光轴传播且偏振相互垂直那么焦点处信号光的偏振就必须沿着光轴的方向排布，考虑到光是横波，所以这一纵向偏振的信号光不能沿着光轴传播，而是主要向横向辐射，无法到达探测器中。只有两束激发光交叉聚焦到同一点，才可能在满足三束光偏振两两正交的前提下，让信号光沿光轴传播到探测器。

近年来，为了将手性和频产生引入到显微镜系统中，已有人尝试过令两束激发光平行排布错开一定间距，且光束的直径必须小于显微物镜的入瞳直径，并分别从显微物镜光轴的两侧离轴入射，通过物镜后，两光交叉聚焦在同一点，获得了亚微米的横向分辨率。但其本质还是非共线光路设置，由于没能用满显微物镜的数值孔径，其空间分辨率还是不能达到衍射极限的水平，且由于激发光在物镜孔径中的分布并非旋转对称，所以在相互垂直的两个方向有不同的分辨率，另外将非共线的两束光的焦点调重合比共线情形更加困难。

发明内容

针对以上现有手性和频显微技术中由于使用非共线光路导致分辨率较低的问题，本发明提出了一种利用径向偏振光束被紧聚焦后在焦点处能产生纵向偏振电场的特性，将其中一束激发光变为径向偏振光束，从而在两束激发光共线排布的情形下产生能沿光轴传播的手性和频产生信号光，且两激发光都用满显微物镜的数值孔径从而达到衍射极限的分辨率。

本发明的一个目的在于提出一种基于径向偏振光束的手性和频产生显微镜。