純相位空間光調制器在STED超分辨與全息光鑷中的應用

一、 引言

由于普通光學顯微鏡會受到光學衍射極限的限制，分辨率只能達到可見光波長的一半左右，也就是200-300nm。而新型guan狀病毒的直徑大小是100nm左右。為了能夠更精細地觀測到生物樣本，需要突破衍射極限的限制。進一步提升光學顯微系統的分辨率。使用純相位液晶空間光調制器（SLM）對光場進行調制，產生一個空心光束可以有辦法提升系統的橫向分辨率。不同于電子顯微鏡、近場光學顯微鏡的方法，這種遠場光學顯微技術能夠滿足生物活體樣品的觀測需要。同樣原理，高分辨率的液晶空間光調制器通過精細的相位調制可以產生多光阱，從而對微粒實時操控，由此發展了全息光鑷技術。

美國Meadowlark Optics 公司專注于模擬尋址純相位空間光調制器的設 計、開發和制造，有40多年的歷史，該公司空間光調制器產品廣泛應用于自適應光學，散射或渾濁介質中的成像，雙光子/三光子顯微成像，光遺傳學，全息光鑷(HOT)，脈沖整形，光學加密，量子計算，光通信，湍流模擬等領域。其高分辨率、高刷新率、高填充因子的特點適用于生物成像及微操縱的工程中。

圖1. Meadowlark 2022年最新推出 1024 x 1024 1K刷新率SLM

二、 空間光調制器在STED超分辨中的技術介紹

普通的遠場熒光顯微鏡，使用聚焦的遠場光束照射熒光分子，由于衍射效應的存在，樣品上形成一個有限尺寸的光斑，光斑之內的熒光分子全部被激發并發出熒光。因此光斑內的樣品的細節特征無法被分辨，激發光斑的尺寸難以改變，但如果可以使光斑內周圍區域的熒光分子處于某種暗態而不發光，那么探測器只能檢測到光斑中心區域處于亮態的熒光分子。這樣就減小了樣品的有效發光面積，從而突破了衍射極限的限制。

熒光分子需要在激發態進行自發輻射發出熒光，因此激發態是亮態，STED中采用熒光分子的基態作為暗態。強制使得熒光分子處于暗態的機制采用受激輻射。當激發光光斑內的熒光分子吸收了激發光處于激發態后，用另一束STED光束照射樣品，使損耗光斑范圍內的分子以受激輻射的方式回到基態，從而失去發射熒光的能力。即熒光萃滅。這個過程就叫做受激發射損耗。

只有損耗光強為零或較低的區域內的熒光分子能夠以自發輻射的形式回到激態發出熒光，這樣就實現了有效發光面積的減小。為了實現上述目的，損耗光聚焦后的光斑需要滿足邊緣光強較大，而中心趨于零的條件，一般采用的是環形的空心光斑，如圖2所示。

圖2. 激發光斑（a），渦旋光（b），強度分布的線掃描（c）,熒光疊加光斑（d）.

    傳統的方法可以用螺旋相位板來產生這樣的渦旋光束，但是使用純相位空間光調制器產生這樣的渦旋光，具有更高的靈活性。通過改變拓撲荷數就可以改變空心區域的面積，從而產生不同大小的損耗光，來提升STED系統的分辨率。

三、空間光調制器在全息光鑷中的技術介紹

光鑷可用于操縱具有不同材料特性的微粒，大小從十幾納米到十幾微米。可操縱的微粒包括細胞生物組織、介質球、金屬球、金屬微納殼、碳納米管、氣泡、甚至是空氣中的水滴。

圖3一個由26個直徑0.99um的膠體二氧化硅球組成的五邊形圖案。五邊形圖案用動態全息光鑷操控成一個圓形。(a) 原始配置。(b) 經過16個步驟。(c) 38步之后的最終位置。

傳統光鑷技術通常使用光束偏轉器(如掃描振鏡或者聲光調制器)來實現多微粒捕獲與操縱。這些方法受限于器件的掃描頻率或者光束偏轉角的大小，難以產生大陣列光阱。而基于純相位液晶空間光調制器可以靈活地產生任意排布的光阱陣列,具有比傳統單光鑷更高的靈活性。

空間光調制器（Spatial Light Modulator，SLM）作為全息光鑷的核心器件之一，它通過調制入射光波前，在物鏡焦區得到預期的光場以對微粒進行捕獲與操縱。Meadowlark 全息光鑷系統可以產生多達100多個光阱。

圖4. 全息光鑷系統

圖5. 點陣圖

四、液晶空間光調制器的要求

1.     光利用率

對于光鑷應用來說，入射光功率影響著粒子操控的動力。因此空間光調制器的光利用率十分重要，光路中通常也會選擇小角度入射的方式來提高光利用率。

Meadowlark公司能提供標速版95.6%的空間光調制器，分辨率達1920x1200，高刷新率版像素1024x1024，填充因子97.2%和dielectric mirror coated版本（100%填充率）。鍍介電膜版本的SLM反射率可以達到*，一級衍射效率可以達到98%，且具有高損傷閾值，承受更高的功率。

2. 刷新率（最高可達1K Hz） 

高速度可以實現多微粒的實時操控，通常成像選擇紅外范圍，Meadowlark SLM 能夠提供1064nm 幾百赫茲的刷新速度。

3.  分辨率（1920x1200）

高分辨率的SLM是創建三維定位所需的復雜相位函數的理想選擇，如此能夠對每個小像元區域的光場進行自由調控。

上海昊量光電作為Medowlark在中國大陸地區總代理商，為您提供專業的選型以及技術服務。對于Meadowlark SLM有興趣或者任何問題，都歡迎通過電話、電子郵件或者微信與我們聯系。

關于昊量光電：

上海昊量光電設備有限公司是光電產品專業代理商，產品包括各類激光器、光電調制器、光學測量設備、光學元件等，涉及應用涵蓋了材料加工、光通訊、生物醫療、科學研究、國防、量子光學、生物顯微、物聯傳感、激光制造等；可為客戶提供完整的設備安裝，培訓，硬件開發，軟件開發，系統集成等服務。