[發明專利]一種氮化鎵位錯雙光子超分辨顯微三維成像裝置及方法

有效

• 申請號: 202110291166.3
• 申請日: 2021-03-18
• 公開（公告）號: CN113075177B
• 公開（公告）日: 2022-02-11
• 發明（設計）人: 施可彬;楊文凱;王新強;楊宏;龔旗煌
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: G01N21/64
• 分類號: G01N21/64
• 代理公司: 北京萬象新悅知識產權代理有限公司 11360
• 代理人: 王巖

1.一種基于渦旋光束的氮化鎵位錯超分辨雙光子熒光顯微三維成像裝置，其特征在于，所述雙光子熒光顯微三維成像裝置包括：光纖飛秒激光器、光纖飛秒激光放大系統、倍頻晶體、光束整形系統、雙色鏡、二維掃描振鏡、無限遠矯正光學系統、物鏡、信號探測系統、一維壓電平移臺、數據采集卡和計算機；其中，待檢測位錯的氮化鎵晶體作為樣品放置在一維壓電平移臺上；二維掃描振鏡、一維壓電平移臺和信號探測系統連接至數據采集卡，數據采集卡與計算機連接；光纖飛秒激光器作為種子源產生近紅外波段的高斯型飛秒激光脈沖，通過光纖飛秒激光放大系統進行功率放大，再經過倍頻晶體獲得可見光波段的高斯型飛秒激光脈沖；高斯型飛秒激光脈沖經過光束整形系統進行空間整形，形成渦旋光束；經整形后的渦旋光束經過雙色鏡至二維掃描振鏡，經過二維掃描振鏡反射，實現光束的二維空間偏折，經過無限遠矯正光學系統后作為激發光，經物鏡聚焦在樣品上，對樣品產生雙光子激發；樣品上沒有位錯的位置由于雙光子激發產生雙光子熒光信號，而位錯的位置被激發光照射后不產生熒光；雙光子熒光信號經物鏡收集后，與激發光反向依次經無限遠矯正光學系統和二維掃描振鏡至雙色鏡，利用雙色鏡與激發光分開，至信號探測系統，信號探測系統收集雙光子熒光信號，傳輸至數據采集卡，轉換成數字信號傳輸至計算機；進一步，計算機發出的指令通過數據采集卡對一維壓電平移臺和二維掃描振鏡進行控制，通過一維壓電平移臺控制樣品進行位移，與二維掃描振鏡配合，從而對樣品進行三維掃描，實現三維空間中雙光子熒光信號的收集；計算機將采集到的雙光子熒光信號，與三維掃描的空間位置進行一一對應，得到雙光子熒光信號對應的空間位置，在三維空間中重構雙光子熒光信號的三維分布，從而得到渦旋雙光子熒光圖樣；渦旋雙光子熒光圖樣中，熒光強度最弱的點反映了位錯的位置，通過對雙光子熒光信號的三維重構，最終實現了位錯在樣品內三維空間分布的成像；由于激發光為環狀的渦旋光束，在激發光對位錯掃描的過程中，當位錯完全位于激發光的環的中心時，激發光完全照射到沒有位錯的地方，從而會對樣品產生雙光子激發并采集到雙光子熒光信號，而當位錯與激發光的環重疊時，由于位錯不發光，此時采集到的雙光子熒光信號強度會變弱，因此在渦旋雙光子熒光圖樣上掃描后的二維圖案也是環狀，但雙光子熒光圖樣中環的中心是亮斑而環是暗的，亮斑的大小與渦旋光束環中心不發光部分的半高寬相關，同時亮斑的位置代表位錯，即位錯的位置對應渦旋雙光子熒光圖樣上的一個亮斑；與傳統的高斯光作為激發光不同，利用高斯光對樣品掃描后，在雙光子熒光圖樣上，位錯的位置是一個實心的暗斑，暗斑的大小與高斯光強度的半高寬相關；在渦旋光束中，環中心不發光部分的半高寬比高斯光的半高寬小，因此在渦旋雙光子熒光圖樣中，利用渦旋光束掃描得到的亮斑的半高寬小于利用高斯光掃描得到的暗斑的半高寬，更小的半高寬代表更高的分辨率，因此采用渦旋光束作為激發光提高了氮化鎵位錯檢測的橫向空間分辨率。

2.如權利要求1所述的雙光子熒光顯微三維成像裝置，其特征在于，通過計算基頻光與倍頻光的群速度，確定基頻光與倍頻光的走離長度，使倍頻晶體的厚度小于走離長度，減小倍頻過程中由于群速度失配引起的走離效應，保證最大的倍頻轉換效率。

3.如權利要求1所述的雙光子熒光顯微三維成像裝置，其特征在于，所述光束整形系統采用四分之一波片和渦旋半波片組合，或者采用四分之一波片和渦旋相位板組合，或者采用計算全息圖和空間光調制器組合。

4.如權利要求1所述的雙光子熒光顯微三維成像裝置，其特征在于，所述光束整形系統對高斯光束的相位波前引入螺旋形分布，使其攜帶軌道角動量，形成渦旋光束，從而光束的光斑具有環狀的強度分布特征，即環的中心光強為零，而環的光強不為零；渦旋光束的環中心孔的大小與渦旋光束攜帶的拓撲荷相關，經過光束整形系統產生的渦旋光束攜帶的拓撲荷為正1或負1，從而產生的渦旋光束的環中心孔徑最小。

5.如權利要求1所述的雙光子熒光顯微三維成像裝置，其特征在于，所述無限遠矯正光學系統采用掃描透鏡和套筒透鏡，組成4f系統，將二維掃描振鏡的兩個反射鏡中點共軛到物鏡的后焦面處，以此來保證在掃描過程中物鏡后瞳處光斑的橫向空間位移降低到最小，最大限度減小掃描過程中漸暈的出現。