[发明专利]基于微波导的超分辨显微成像方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及微观观测测量领域，尤其涉及一种基于微波导的超分辨显微成像方法和装置。

背景技术

纳米技术与生物技术是21世纪发展最迅速和热门的科学领域。纳米技术应用广泛，包括1～100nm尺度内的成像、测量、加工、操纵等。许多重要的生物体比如葡萄糖、抗体、病毒等都处于这个尺度范围内，研究这些微小物体的需求推动了高分辨率显微成像技术的发展。反过来，超分辨显微术的发展也推动了整个生命科学的进步。相比其他的显微技术，光学显微技术的一大优势是可以对处于自然状态的活细胞进行研究。

自世界上第一台光学显微镜问世以来，提高光学显微成像系统的分辨能力及测量范围一直是众多科学家致力研究的重要科学问题，特别是近年来，随着物理学、生物医学、微电子学和材料学等学科的迅速发展，对这一问题的研究变得尤为迫切，主要体现在：物理学的发展要求人们能观测到微观世界中原子的大小；分子生物学的发展要求人们能观测到活体细胞这种高散射物质内小到纳米尺度的单分子；微电子技术的发展要求人们能检测到超大规模集成电路中窄到数十纳米的线宽尺寸；纳米新材料的出现要求人们能观测到纳米尺度大小的纳米颗粒等，这些现代科学的新进展，更加促使人们不断地去探索高分辨显微成像的新方法和新技术。

由于衍射极限的存在，传统的宽场光学显微镜横向和纵向的分辨率分别仅约为230nm和1000nm。二十世纪三十年代发展起来的电子显微成像技术及八十年代初崛起的各类非光学的探针扫描显微成像技术具有纳米甚至更高的分辨能力，但它们在不同程度上存在着系统结构复杂、成像检测环境要求苛刻及样品处理繁琐等困难，特别是不能获得样品重要的光学信息(如反射率、折射率、偏振态及光谱等信息)，因而无法完全取代光学显微成像的地位。

随着现代激光技术、计算机技术、精密机械及电子技术的迅猛发展，超分辨的光学显微成像技术(Super-resolution Optical Microscopy，SROM)应运而生。根据原理不同，现有技术可以分为两大类：一类是以固体浸没透镜(Solid Immersion Lens，SIL)技术为代表的近场显微技术；另一类则是以激发抵制损耗显微镜(Stimulated Emission Depletion，STED)为代表的荧光显微技术。然后，两种现有技术都存在着一定的缺陷：前者虽然使用宽场照明，但很难将其分辨率压缩在100nm以下；后者则是基于荧光显微技术，无法使用于非荧光样品上，因此使用范围受到限制。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明以微波导为核心，提供了一种实现远场超分辨的方法，实现了基于近场照明、远场成像的超分辨显微图像获取。

一种基于微波导的超分辨显微成像方法，包括以下步骤：

1)将超连续谱激光耦合导入微波导，并将微波导放置在具有亚波长细节的样品表面，表面细节对所述微波导内传输的光产生调制作用，形成散射光；

2)收集所述散射光信号，并成像得到相应的图像；

3)对所述步骤2)中的图像进行频谱分析，得到频谱分布图；

4)将所述频谱分布图进行频移重构，并反演得到具有亚波长分辨能力的样品表面图像。

为实现大面积样品观察，用所述微波导对样品表面进行扫描，通过步骤2)得到单帧图像序列，将单帧图像拼接后得到相应的图像，然后经步骤3)和步骤4)得到大画幅的具有亚波长分辨能力的样品表面图像。

频谱分析，是指对图像强度分布进行傅里叶变换，得到其相应的傅里叶频谱。

反演，是指对傅里叶谱频进行反傅里叶变换，得到相应的图像强度分布。

本发明的工作原理是：

将微波导与商用光纤进行类比。由于微波导是单层介质可见光波导，因此仅具有商用光纤芯层的作用，一般将其周围的空气介质当作传统商用光纤的包层而构成一个阶跃式光纤结构。当激光被导入微波导后，一部分光能量不能完全被微波导所束缚，而是在微波导表空气的交界面上形成与原有光传播方向同向的倏逝场。由于倏逝场本身极易受到扰动而使光能量产生散射与耦合现象。因此，当将微波导放置于具有亚波长细节的样品表面时，在微波导中传输的光场会受到样品表面亚波长细节的调制而产生散射作用。