[发明专利]一种能同时实现高光学信号通量和高分辨率的复合式近场光学探针及其制备方法

说明书

本发明属于光学器件领域，涉及一种能同时实现高光学信号通量和高分辨率的复合式近场光学探针及其制备方法。解决现有光纤式近场光学探针存在光学信号弱、光学分辨率依赖于探针孔径尺寸的技术问题。本发明的复合式近场光学探针核心部分在于利用胶黏剂将一个纳米尺寸的微型透镜粘附于光纤探针尖端出光孔部分。该复合式近场光学探针作为近场扫描显微镜的探针部分应用于近场成像。激光光束从光纤探针的出光口处出光后被微型透镜汇聚，因此提高了光学信号通量的同时提高了空间分辨率。本发明制备的复合式近场光学探针在不增加操作复杂度的前提下，能同时提高近场显微镜的空间分辨率和光学信号通量。且本方法成本低廉，易于实现，可控性高，能批量生产。

技术领域

本发明涉及光学器件领域，具体涉及一种能同时实现高光学信号通量和高分辨率的复合式近场光学探针及其制备方法。

背景技术

光学显微镜凭借其非接触、无损伤和可原位实时观测等优点，在人类探索微观世界奥秘的活动中扮演着重要的角色。随着现代科学的发展，人们迫切希望能够从分子水平揭示生命过程的微观机制和材料微观结构与性能的关系。但是，光学显微镜受限于光的衍射效应，存在分辨率极限，也称阿贝极限。阿贝极限是指一个理想物点经光学系统成像，由于衍射的限制，不能得到理想像点，而是得到一个夫琅禾费衍射像。因此当两个点物体距离较近时，它们通过成像系统后形成的衍射像就会重叠到一起无法分辨，两个物点恰能分辨的距离就是极限分辨距离。对于光学显微镜而言，该衍射像的分辨极限在200-400纳米之间。而细胞内的细胞器和生物分子大约在5-100纳米。因此传统的光学显微镜难以对细胞内结构和生物分子进行精确成像。能否突破这个限制是当今光学领域公认的重大挑战之一。

近年来已经发明了许多“超分辨”显微技术来克服衍射效应限制，包括利用非线性效应来减小激发范围的受激发射耗尽(STED)显微技术，基于单个荧光分子定位随机光学重建(STORM)和光激活定位技术(PALM)等。这些技术通过巧妙方法绕过光的衍射限制，实现对30纳米以上尺寸分子或细胞器的精确成像。然而，这些超分辨技术依然存在一定的局限性，例如成像时间长、需要进行后续复杂图像运算处理和光路复杂等。这限制了这些技术在细胞生物学中的应用。

衍射效应对光学显微镜分辨率的限制并非是本质的。当一个亚波长的微小光源，在物体的近场范围内照射物体，照射光斑的面积只和孔径大小有关，与波长无关，这样，在反射光或者透射光中将携带物体亚波长尺寸结构信息，通过采集样品各点的信号光即可得到分辨率小于半波长的样品近场图像。这种思路导致了近场扫描光学显微镜的诞生。

近场光学显微镜的结构可与传统远场光学显微镜的结构一一对应，包括由激光器和光纤探针构成的“局域光源”、具有超微扫描装置的“样品台”和由显微物镜构成的“光学放大系统”等部分。其中核心部件是为样品提供近场局域照明的探针，它的透光孔径大小对近场光学显微镜的分辨率有决定性影响。对于近场光学显微镜，为了获得较高分辨率，一方面，需使通过光学探针的光束在横向尽可能地受到限制；另一方面，也要使通过限制区域的光通量尽可能大，以提高信噪比。但二者是矛盾的，光纤探针孔径尺度减小，其光的传输效率将急剧下降，严重的限制这些探针的应用。因此，制备一种能同时实现高光通量和高分辨率的探针将会极大拓展近场显微镜的应用。

发明内容

本发明要解决现有技术中光纤式近场光学探针存在光学信号弱、光学分辨率依赖于探针孔径尺寸的技术问题，提供一种能同时实现高光学信号通量和高分辨率的复合式近场光学探针及其制备方法。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：

一种能同时实现高光学信号通量和高分辨率的复合式近场光学探针，是由光纤探针和微型透镜两部分组成；

所述光纤探针为头部成锥形的透光光纤，尖端设有孔径为20-200纳米的出光孔，并且尖端外层包覆不透光金属薄膜；

所述微型透镜固定在所述光纤探针出光孔处；

所述微型透镜的直径或长轴直径为20-500纳米；