[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

摘要

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。

主权项

1.一种基于径向偏振光束的手性和频产生显微镜，其特征在于，所述手性和频产生显微镜包括：第一激发光光源、第二激发光光源、第一激发光扩束准直系统、第二激发光扩束准直系统、光程延迟系统、径向偏振光束产生系统、合束系统、激发物镜、收集物镜、压电扫描系统和信号光探测系统；其中，样品设置在压电扫描系统上，并且样品位于激发物镜与收集物镜之间；所述收集物镜连接至信号光探测系统；所述第一和第二激发光光源分别输出第一激发光和第二激发光，第一和第二激发光分别为波长不同的两束脉冲光；第一激发光经第一激发光扩束准直系统扩大光斑直径使得光束能够充满激发物镜的入瞳；光斑直径扩大后的第一激发光经径向偏振光束产生系统将线偏振光转变为径向偏振光束，入射至合束系统；第二激发光经第二激发光扩束准直系统扩大光斑直径使得光束能够充满激发物镜的入瞳，入射至合束系统；变成径向偏振光束的第一激发光经合束系统透射，与经合束系统反射的第二激发光合束；合束光经激发物镜聚焦后入射至样品上；在第一激发光的光路上或者在第二激发光的光路上设置光程延迟系统，使得第一激发光和第二激发光同时到达样品；通过调整合束系统，使得合束后的两束激发光的焦点在垂直于光轴的方向重合，并通过调整第一激发光扩束准直系统和第二激发光扩束准直系统，使得合束后的两束激发光的焦点在平行于光轴的方向重合，焦点位于样品上，从而两束激发光精确共线合束后充满激发物镜的入瞳，聚焦到样品上；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产生信号光；通过压电扫描系统扫描样品，手性和频产生信号光由收集物镜收集后，传输至信号光探测系统，从而得到样品的图像。

2.如权利要求1所述的手性和频产生显微镜，其特征在于，所述第一激发光光源和第二激发光光源采用同一个激光器分别输出波长不同的两束脉冲光；或者采用两个重复频率互相锁定的超快脉冲激光器，脉冲光的频率为皮秒或飞秒。

3.如权利要求1所述的手性和频产生显微镜，其特征在于，所述光程延迟系统包括精密位移平台和两个安放在其上的反射镜，将输入的激光延平行于入射方向的反方向输出，从而改变光在其中的光程，但不改变激光离开光程延迟系统的方向。

4.如权利要求1所述的手性和频产生显微镜，其特征在于，所述径向偏振光束产生系统采用向列液晶元件或亚波长光栅直接将输入的线性偏振光束转化为径向偏振光束；或者通过相干叠加的方式，将输入的线性偏振光分为两束拓扑荷、圆偏方向都相反的圆偏振光再进行叠加得到，或者将输入的线性偏振光分为两束相互正交的厄米高斯(1,0)模式光束再进行叠加得到。

5.如权利要求1所述的手性和频产生显微镜，其特征在于，所述合束系统包括一个表面无镀膜的分束片，其中径向偏振的第一激发光从分束片上透射，线性偏振的第二激发光从分束片上反射，两束光精确共线合束。

6.如权利要求1所述的手性和频产生显微镜，其特征在于，所述收集物镜与激发物镜构成共轴共焦系统，将焦点处产生的手性和频产生信号光收集并准直。

7.如权利要求1所述的手性和频产生显微镜，其特征在于，所述样品采用具有手性的材料，从而激发出手性和频产生信号光。

8.一种如权利要求1所述的基于径向偏振光束的手性和频产生显微镜的成像方法，其特征在于，所述成像方法包括以下步骤：

1)第一和第二激发光光源分别输出第一激发光和第二激发光，第一和第二激发光分别为波长不同的两束脉冲光；

2)第一激发光经第一激发光扩束准直系统扩大光斑直径使得光束能够充满激发物镜的入瞳；

3)光斑直径扩大后的第一激发光经径向偏振光束产生系统将线偏振光转变为径向偏振光束，入射至合束系统；第二激发光经第二激发光扩束准直系统扩大光斑直径使得光束能够充满激发物镜的入瞳，入射至合束系统；

4)变成径向偏振光束的第一激发光经合束系统透射，与经合束系统反射的第二激发光合束；

5)合束光经激发物镜聚焦后入射至样品上；在第一激发光的光路上或者在第二激发光的光路上设置光程延迟系统，使得第一激发光和第二激发光同时到达样品；通过调整合束系统，使得合束后的两束激发光的焦点在垂直于光轴的方向即横向重合，并通过调整第一激发光扩束准直系统和第二激发光扩束准直系统，使得合束后的两束激发光的焦点在平行于光轴的方向即纵向重合，焦点位于样品上，从而两束激发光精确共线合束后充满激发物镜的入瞳，聚焦到样品上；

6)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产生信号光；

7)通过压电扫描系统扫描样品，手性和频产生信号光由收集物镜收集后，传输至信号光探测系统，从而得到样品的图像。