本文主要介紹了純相位液晶空間光調(diào)制器在STED熒光超分辨顯微成像和全息光鑷中的應用。在STED成像系統(tǒng)中使用空間光調(diào)制器（SLM）產(chǎn)生一個空心光束作為萃滅光束萧诫，來降低熒光發(fā)光面積斥难，從而提高成像分辨率。同樣的原理帘饶，在全息光鑷的應用中哑诊，通過SLM產(chǎn)生三維光阱陣列，實現(xiàn)多微粒的操控及刻。
純相位空間光調(diào)制器在STED超分辨與全息光鑷中的應用
一搭儒、 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提茁，也就是200-300nm淹禾。而新型冠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茴扁，需要突破衍射極限的限制铃岔。進一步提升光學顯微系統(tǒng)的分辨率。使用純相位液晶空間光調(diào)制器（SLM）對光場進行調(diào)制，產(chǎn)生一個空心光束可以有辦法提升系統(tǒng)的橫向分辨率毁习。不同于電子顯微鏡智嚷、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纺且。同樣原理盏道，高分辨率的液晶空間光調(diào)制器通過精細的相位調(diào)制可以產(chǎn)生多光阱，從而對微粒實時操控载碌，由此發(fā)展了全息光鑷技術猜嘱。
美國Meadowlark Optics 公司專注于模擬尋址純相位空間光調(diào)制器的設 計、開發(fā)和制造嫁艇，有40多年的歷史朗伶，該公司空間光調(diào)制器產(chǎn)品廣泛應用于自適應光學，散射或渾濁介質中的成像步咪，雙光子/三光子顯微成像论皆，光遺傳學，全息光鑷(HOT)猾漫，脈沖整形点晴，光學加密，量子計算悯周，光通信觉鼻，湍流模擬等領域。其高分辨率队橙、高刷新率坠陈、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
二捐康、 空間光調(diào)制器在STED超分辨中的技術介紹
普通的遠場熒光顯微鏡仇矾，使用聚焦的遠場光束照射熒光分子，由于衍射效應的存在解总，樣品上形成一個有限尺寸的光斑贮匕，光斑之內(nèi)的熒光分子全部被激發(fā)并發(fā)出熒光。因此光斑內(nèi)的樣品的細節(jié)特征無法被分辨花枫，激發(fā)光斑的尺寸難以改變刻盐，但如果可以使光斑內(nèi)周圍區(qū)域的熒光分子處于某種暗態(tài)而不發(fā)光，那么探測器只能檢測到光斑中心區(qū)域處于亮態(tài)的熒光分子劳翰。這樣就減小了樣品的有效發(fā)光面積敦锌，從而突破了衍射極限的限制。
熒光分子需要在激發(fā)態(tài)進行自發(fā)輻射發(fā)出熒光佳簸，因此激發(fā)態(tài)是亮態(tài)乙墙，STED中采用熒光分子的基態(tài)作為暗態(tài)。強制使得熒光分子處于暗態(tài)的機制采用受激輻射。當激發(fā)光光斑內(nèi)的熒光分子吸收了激發(fā)光處于激發(fā)態(tài)后听想，用另一束STED光束照射樣品腥刹，使損耗光斑范圍內(nèi)的分子以受激輻射的方式回到基態(tài)，從而失去發(fā)射熒光的能力汉买。即熒光萃滅衔峰。這個過程就叫做受激發(fā)射損耗。
只有損耗光強為零或較低的區(qū)域內(nèi)的熒光分子能夠以自發(fā)輻射的形式回到激態(tài)發(fā)出熒光蛙粘，這樣就實現(xiàn)了有效發(fā)光面積的減小垫卤。為了實現(xiàn)上述目的，損耗光聚焦后的光斑需要滿足邊緣光強較大组题，而中心趨于零的條件葫男，一般采用的是環(huán)形的空心光斑抱冷，如圖2所示崔列。
圖2. 激發(fā)光斑（a），渦旋光（b）旺遮，強度分布的線掃描（c）,熒光疊加光斑（d）.
傳統(tǒng)的方法可以用螺旋相位板來產(chǎn)生這樣的渦旋光束赵讯，但是使用純相位空間光調(diào)制器產(chǎn)生這樣的渦旋光，具有更高的靈活性耿眉。通過改變拓撲荷數(shù)就可以改變空心區(qū)域的面積边翼，從而產(chǎn)生不同大小的損耗光，來提升STED系統(tǒng)的分辨率鸣剪。
三组底、空間光調(diào)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筐骇≌Γ可操縱的微粒包括細胞生物組織、介質球铛纬、金屬球厌均、金屬微納殼、碳納米管告唆、氣泡棺弊、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擒悬。五邊形圖案用動態(tài)全息光鑷操控成一個圓形模她。(a) 原始配置。(b) 經(jīng)過16個步驟懂牧。(c) 38步之后的最終位置缝驳。
傳統(tǒng)光鑷技術通常使用光束偏轉器(如掃描振鏡或者聲光調(diào)制器)來實現(xiàn)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(chǎn)生大陣列光阱用狱。而基于純相位液晶空間光調(diào)制器可以靈活地產(chǎn)生任意排布的光阱陣列,具有比傳統(tǒng)單光鑷更高的靈活性运怖。
空間光調(diào)制器（Spatial light modulator，SLM）作為全息光鑷的核心器件之一夏伊，它通過調(diào)制入射光波前摇展，在物鏡焦區(qū)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(tǒng)可以產(chǎn)生多達100多個光阱溺忧。
圖4. 全息光鑷系統(tǒng)
圖5. 點陣圖
四咏连、液晶空間光調(diào)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鲁森。因此空間光調(diào)制器的光利用率十分重要祟滴，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(diào)制器歌溉，分辨率達1920x1200垄懂，高刷新率版像素1024x1024棉安，填充因子97.2%和dielectric mirror coated版本（100%填充率）嚼吞。鍍介電膜版本的SLM反射率可以達到100%，一級衍射效率可以達到98%吸祟，且具有高損傷閾值匙头，承受更高的功率漫谷。
2. 刷新率（最高可達1K Hz）
高速度可以實現(xiàn)多微粒的實時操控，通常成像選擇紅外范圍蹂析，Meadowlark SLM 能夠提供1064nm 幾百赫茲的刷新速度舔示。
3. 分辨率（1920x1200）
高分辨率的SLM是創(chuàng)建三維定位所需的復雜相位函數(shù)的理想選擇，如此能夠對每個小像元區(qū)域的光場進行自由調(diào)控电抚。
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