并行STED顯微中光學系統(tǒng)對熒光擦除圖案的影響
發(fā)布時間：2021-03-18 05:22
并行受激發(fā)射損耗（STED）顯微術采用周期性排列的光學格子作為熒光抑制圖案并行實現(xiàn)多點熒光擦除,可以有效地提升顯微成像的時間分辨率。本文建立了并行STED顯微成像系統(tǒng)的簡化光學系統(tǒng)模型,在此基礎上推導出受光學參數(shù)影響的并行熒光擦除圖案周期公式,來闡明輔助物鏡及顯微物鏡對該周期的影響機理。由該公式,解出了能產(chǎn)生更小周期并行熒光擦除圖案的最優(yōu)光學參數(shù)。數(shù)值仿真結(jié)果顯示,本文方法能產(chǎn)生出周期小至276nm×276nm的正方形網(wǎng)格狀并行熒光擦除圖案。
【文章來源】：激光與光電子學進展. 2020,57(09)北大核心
【文章頁數(shù)】：6 頁
【部分圖文】：
并行STED顯微成像系統(tǒng)的簡化理想光學系統(tǒng)模型
在實際情況中標準透鏡可取得的最大焦距為1000mm，通過特殊定制可以取得更大焦距的輔助物鏡，但考慮到光學系統(tǒng)中過長傳播距離對損耗光束能量的衰減及定制透鏡帶來的成本上升等副作用，可以認為顯微成像系統(tǒng)中最佳的輔助物鏡焦距為可獲得標準透鏡的最大焦距1000mm，且圖2(b）虛線中與之最為匹配的物方傾斜角為0.24°，所以可以認為損耗光束入射顯微成像系統(tǒng)的最佳物方傾斜角u=0.24°。與此同時，在最佳輔助物鏡焦距和最佳物方傾斜角條件下，損耗光束直徑改變對并行熒光擦除圖案周期的影響非常小可以忽略，所以可以認為激光器出射光束的原始直徑就是損耗光束入射顯微成像系統(tǒng)時的最佳光束直徑。本文使用Zemax軟件按圖1所示系統(tǒng)設計光路裝置，仿真研究了最佳光學參數(shù)所產(chǎn)生的并行熒光擦除圖案。在仿真過程中，使用四個波長為760nm且光束大小為1的等功率線性偏振高斯光源來模擬四束損耗光B1～B4，使用一個焦距為1000mm的雙膠合消色差透鏡作為輔助物鏡，使用上文理論計算中參照參考文獻[22]中例1所示結(jié)構建立的平場復消色差油浸物鏡作為顯微物鏡，該顯微物鏡的NA=1.4、后孔徑直徑為8.51mm且浸油折射率為1.515。為探測損耗光束干涉產(chǎn)生的并行熒光擦除圖案，在樣本平面焦點處同軸放置兩個軸向間距為1nm、橫縱半寬均為830nm的矩形探測器，令它們分別探測水平偏振損耗光束或豎直偏振損耗光束干涉產(chǎn)生的相干照度。因兩探測器間距遠小于衍射極限，所以可以認為它們分別接收到并行熒光擦除圖案的水平偏振分量和豎直偏振分量，兩探測器探測結(jié)果疊加，即可得到樣本平面上并行熒光擦除圖案的光照強度分布，仿真結(jié)果如圖3所示[23-25]。
本文使用Zemax軟件按圖1所示系統(tǒng)設計光路裝置，仿真研究了最佳光學參數(shù)所產(chǎn)生的并行熒光擦除圖案。在仿真過程中，使用四個波長為760nm且光束大小為1的等功率線性偏振高斯光源來模擬四束損耗光B1～B4，使用一個焦距為1000mm的雙膠合消色差透鏡作為輔助物鏡，使用上文理論計算中參照參考文獻[22]中例1所示結(jié)構建立的平場復消色差油浸物鏡作為顯微物鏡，該顯微物鏡的NA=1.4、后孔徑直徑為8.51mm且浸油折射率為1.515。為探測損耗光束干涉產(chǎn)生的并行熒光擦除圖案，在樣本平面焦點處同軸放置兩個軸向間距為1nm、橫縱半寬均為830nm的矩形探測器，令它們分別探測水平偏振損耗光束或豎直偏振損耗光束干涉產(chǎn)生的相干照度。因兩探測器間距遠小于衍射極限，所以可以認為它們分別接收到并行熒光擦除圖案的水平偏振分量和豎直偏振分量，兩探測器探測結(jié)果疊加，即可得到樣本平面上并行熒光擦除圖案的光照強度分布，仿真結(jié)果如圖3所示[23-25]。圖3(a）為探測器1接收到的水平偏振損耗光束B3、B4在樣本平面上干涉產(chǎn)生的相干照度分布，它是一組空間上橫向（x方向）周期性排列的豎直光學條紋；圖3(b）為探測器2接收到的豎直偏振損耗光束B1、B2在樣本平面上干涉產(chǎn)生的相干照度分布，它是一組空間上縱向（y方向）周期性排列的水平光學條紋；二者疊加后，得到并行熒光擦除圖案在樣本平面上的光照強度分布：一個周期小至276nm×276nm的正方形光學格子，如圖3(c）所示。該仿真圖案周期為此條件下衍射極限（271.429nm）的1.017倍，且與此條件下由（3）式算得到的理論計算周期相一致，仿真周期與理論計算周期間的誤差僅為1.65%。而另一方面，已報道方法在同樣損耗光波長下，使用NA=1.49的顯微物鏡僅產(chǎn)生出周期小至290nm×290nm的正方形光學格子，該圖案周期為此條件下衍射極限（255.034nm）的1.137倍[11]。這一數(shù)據(jù)對比說明（3）式可以預測受并行STED顯微成像系統(tǒng)光學參數(shù)影響的并行熒光擦除圖案周期，它揭示了輔助物鏡焦距及損耗光束入射顯微成像系統(tǒng)的物方傾斜角對并行熒光擦除圖案周期的影響機理，且可由（2）式、（5）式計算出能產(chǎn)生更小周期并行熒光擦除圖案的最佳光學參數(shù)。
【參考文獻】：
期刊論文
[1]基于可控光劑量的低熒光漂白共聚焦成像技術[J]. 徐依雯,張運海,楊皓旻,季林,昌劍,劉創(chuàng),唐玉國. 中國激光. 2018(04)
[2]雙光子熒光壽命成像在腫瘤診斷研究中的應用[J]. 李慧,夏先園,陳廷愛,余佳,李曦,鄭煒. 中國激光. 2018(02)
[3]新型超分辨顯微技術淺析[J]. 金錄嘉,何洋,瞿璐茜,張弛,李美琪,席鵬. 激光與光電子學進展. 2018(03)
[4]熒光蛋白與超分辨顯微成像[J]. 彭鼎銘,付志飛,徐平勇. 光學學報. 2017(03)
本文編號：3087989
【文章來源】：激光與光電子學進展. 2020,57(09)北大核心
【文章頁數(shù)】：6 頁
【部分圖文】：
并行STED顯微成像系統(tǒng)的簡化理想光學系統(tǒng)模型
在實際情況中標準透鏡可取得的最大焦距為1000mm，通過特殊定制可以取得更大焦距的輔助物鏡，但考慮到光學系統(tǒng)中過長傳播距離對損耗光束能量的衰減及定制透鏡帶來的成本上升等副作用，可以認為顯微成像系統(tǒng)中最佳的輔助物鏡焦距為可獲得標準透鏡的最大焦距1000mm，且圖2(b）虛線中與之最為匹配的物方傾斜角為0.24°，所以可以認為損耗光束入射顯微成像系統(tǒng)的最佳物方傾斜角u=0.24°。與此同時，在最佳輔助物鏡焦距和最佳物方傾斜角條件下，損耗光束直徑改變對并行熒光擦除圖案周期的影響非常小可以忽略，所以可以認為激光器出射光束的原始直徑就是損耗光束入射顯微成像系統(tǒng)時的最佳光束直徑。本文使用Zemax軟件按圖1所示系統(tǒng)設計光路裝置，仿真研究了最佳光學參數(shù)所產(chǎn)生的并行熒光擦除圖案。在仿真過程中，使用四個波長為760nm且光束大小為1的等功率線性偏振高斯光源來模擬四束損耗光B1～B4，使用一個焦距為1000mm的雙膠合消色差透鏡作為輔助物鏡，使用上文理論計算中參照參考文獻[22]中例1所示結(jié)構建立的平場復消色差油浸物鏡作為顯微物鏡，該顯微物鏡的NA=1.4、后孔徑直徑為8.51mm且浸油折射率為1.515。為探測損耗光束干涉產(chǎn)生的并行熒光擦除圖案，在樣本平面焦點處同軸放置兩個軸向間距為1nm、橫縱半寬均為830nm的矩形探測器，令它們分別探測水平偏振損耗光束或豎直偏振損耗光束干涉產(chǎn)生的相干照度。因兩探測器間距遠小于衍射極限，所以可以認為它們分別接收到并行熒光擦除圖案的水平偏振分量和豎直偏振分量，兩探測器探測結(jié)果疊加，即可得到樣本平面上并行熒光擦除圖案的光照強度分布，仿真結(jié)果如圖3所示[23-25]。
本文使用Zemax軟件按圖1所示系統(tǒng)設計光路裝置，仿真研究了最佳光學參數(shù)所產(chǎn)生的并行熒光擦除圖案。在仿真過程中，使用四個波長為760nm且光束大小為1的等功率線性偏振高斯光源來模擬四束損耗光B1～B4，使用一個焦距為1000mm的雙膠合消色差透鏡作為輔助物鏡，使用上文理論計算中參照參考文獻[22]中例1所示結(jié)構建立的平場復消色差油浸物鏡作為顯微物鏡，該顯微物鏡的NA=1.4、后孔徑直徑為8.51mm且浸油折射率為1.515。為探測損耗光束干涉產(chǎn)生的并行熒光擦除圖案，在樣本平面焦點處同軸放置兩個軸向間距為1nm、橫縱半寬均為830nm的矩形探測器，令它們分別探測水平偏振損耗光束或豎直偏振損耗光束干涉產(chǎn)生的相干照度。因兩探測器間距遠小于衍射極限，所以可以認為它們分別接收到并行熒光擦除圖案的水平偏振分量和豎直偏振分量，兩探測器探測結(jié)果疊加，即可得到樣本平面上并行熒光擦除圖案的光照強度分布，仿真結(jié)果如圖3所示[23-25]。圖3(a）為探測器1接收到的水平偏振損耗光束B3、B4在樣本平面上干涉產(chǎn)生的相干照度分布，它是一組空間上橫向（x方向）周期性排列的豎直光學條紋；圖3(b）為探測器2接收到的豎直偏振損耗光束B1、B2在樣本平面上干涉產(chǎn)生的相干照度分布，它是一組空間上縱向（y方向）周期性排列的水平光學條紋；二者疊加后，得到并行熒光擦除圖案在樣本平面上的光照強度分布：一個周期小至276nm×276nm的正方形光學格子，如圖3(c）所示。該仿真圖案周期為此條件下衍射極限（271.429nm）的1.017倍，且與此條件下由（3）式算得到的理論計算周期相一致，仿真周期與理論計算周期間的誤差僅為1.65%。而另一方面，已報道方法在同樣損耗光波長下，使用NA=1.49的顯微物鏡僅產(chǎn)生出周期小至290nm×290nm的正方形光學格子，該圖案周期為此條件下衍射極限（255.034nm）的1.137倍[11]。這一數(shù)據(jù)對比說明（3）式可以預測受并行STED顯微成像系統(tǒng)光學參數(shù)影響的并行熒光擦除圖案周期，它揭示了輔助物鏡焦距及損耗光束入射顯微成像系統(tǒng)的物方傾斜角對并行熒光擦除圖案周期的影響機理，且可由（2）式、（5）式計算出能產(chǎn)生更小周期并行熒光擦除圖案的最佳光學參數(shù)。
【參考文獻】：
期刊論文
[1]基于可控光劑量的低熒光漂白共聚焦成像技術[J]. 徐依雯,張運海,楊皓旻,季林,昌劍,劉創(chuàng),唐玉國. 中國激光. 2018(04)
[2]雙光子熒光壽命成像在腫瘤診斷研究中的應用[J]. 李慧,夏先園,陳廷愛,余佳,李曦,鄭煒. 中國激光. 2018(02)
[3]新型超分辨顯微技術淺析[J]. 金錄嘉,何洋,瞿璐茜,張弛,李美琪,席鵬. 激光與光電子學進展. 2018(03)
[4]熒光蛋白與超分辨顯微成像[J]. 彭鼎銘,付志飛,徐平勇. 光學學報. 2017(03)
本文編號：3087989
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