[发明专利]基于光镊微球的超分辨激光直写与实时成像装置及方法

说明书

本发明涉及光学技术领域，具体公开了一种基于光镊微球的超分辨激光直写与实时成像方法和装置，包括激光器、准直扩束系统、空间光调制器、4f缩束系统、二向色镜、显微物镜、微球、直写基底、三维可控精密位移台、照明光源、照明模块及相机等，所述的激光器出射光经过扩束准直后入射到加载有相位全息图的空间光调制器上面，调制后的光斑经过4f缩束系统入射到显微物镜，在显微物镜焦面形成聚焦光斑阵列同时捕获多个微球，利用微球强聚焦特性配合相位全息图变化，在直写基底上面进行任意图案的高通量超分辨激光直写；同时，微球结合显微物镜可对超分辨激光直写结构进行实时成像，图像由相机采集，实现基于光镊微球的超分辨激光直写与实时成像。

技术领域

本发明涉及光学技术领域，具体涉及一种基于光镊微球的超分辨激光直写与实时成像方法和装置。

背景技术

激光直写技术作为主流的微纳加工技术之一，被广泛用于光学掩膜版、光学微透镜等器件的加工制造。随着微细加工技术的发展，一方面要求激光直写技术能够以亚200nm的分辨率进行直写加工，另一方面要求对准整个加工过程进行实时原位成像。现有的飞秒激光双光子加工技术加工等技术虽然有很高的加工分辨率，但是很难在加工过程中直接观察直写的结构，其根本原因是使用的显微镜横向分辨率受到衍射极限限制，无法观察200nm以下的结构信息。介质微球超分辨成像技术在2011年被提出，具有操作简单、分辨率高等特点，微米级的微球结合普通显微镜能够观察50nm的样品结构；另一方面，微球也被用于超分辨激光直写加工。研究人员引入了多种操控技术来操控微球空间位置，从而提高灵活性，如探针、薄膜包覆、光镊等技术。其中，光镊技术具有无接触光学、精度高等优点，研究人员使用光镊操控微球进行了许多激光直写相关研究，但是在直写过程中并没有利用微球的成像特性对直写结构进行实时成像。已有激光直写加工技术很难同时实现超分辨激光直写加工和超分辨原位成像。

发明内容

本发明的目的在于解决现有激光直写加工技术中超分辨直写和超分辨成像不能兼顾的技术问题，本发明提出一种基于光镊微球的超分辨激光直写与实时成像方法和装置。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于光镊微球的超分辨激光直写与实时成像装置，包括激光器、空间光调制器、显微物镜和微球，所述激光器出射激光束，所述空间光调制器对扩束系统扩束后的激光束进行调制，经过4f缩束系统后，在显微物镜的焦面形成聚焦光斑阵列，以光镊操控多个微球进行激光直写和成像；还包括照明及成像光路，所述照明及成像光路包括照明光源和照明模块，为微球成像提供照明，在超分辨激光直写同时实现超分辨实时成像。

进一步的，所述扩束系统由共焦的第一透镜和第二透镜构成。

进一步的，所述4f缩束系统由共焦的第三透镜和第四透镜构成，所述空间光调制器靶面位于第三透镜的前焦处，显微物镜入瞳位于第四透镜的后焦处。

进一步的，所述空间光调制器上加载不同的相位全息图，在显微物镜的焦面得到不同的聚焦光斑分布，操控在浸没介质中的微球，利用微球对激光的再次强聚焦在直写基底上进行任意结构的激光直写与扫描成像。

进一步的，所述照明及成像光路还包括分光片和二向色镜，照明光斑经过分光片和二向色镜入射到显微物镜。

进一步的，所述显微物镜为空气物镜、水镜或者油镜，数值孔径在0.6-1.5之间，放大倍率在40-100倍之间。

进一步的，所述微球为SiO₂、PS、PMMA、Al₂O₃、BTG或TiO₂各种透明或类透明微球，折射率取值在1.4-2.3之间，直径在0.5um-100um之间。

进一步的，所述激光器为半导体激光器、皮秒激光器或飞秒激光器，波长范围为400nm-1100nm。

进一步的，还包括直写基底，所述直写基底为光刻胶、薄膜材料、金属薄板或蛋白质。