Устройство для визуализации объектов с субволновым пространственным разрешением на основе вынужденного комбинационного рассеяния Российский патент 2020 года по МПК G01N21/65 B82Y20/00 G02B21/00 

Изобретение относится к области субдифракционной сканирующей оптической микроскопии и может быть использовано для визуализации и химической диагностики физических и биологических объектов за пределами дифракции света с помощью металинзы, встроенной в стандартный оптический микроскоп с низкой числовой апертурой.

В основе существующих сегодня оптических методов субволнового пространственного разрешения лежат технологии субволновой локализации света и растрового сканирования образца относительно падающего излучения. Для локализации света используют оптические наноантенны и/или структурированное излучение, которые делают процесс формирования оптического изображения в дальнем поле медленным и ненадежным. Получение оптических изображений за пределом дифракции света в режиме реального времени возможно с помощью металинзы [Dylan Lu, Zhaowei Liu, The Hyperlenses and metalenses for far-field super-resolution imaging // NATURE COMMUNICATIONS | DOI: 10.1038/ncomms2176 (2012)]. Однако на практике такие металинзы обеспечивают формирование изображений в оптическом ближнем поле, что сопряжено с рядом технических трудностей при регистрации сигнала. Несмотря на существующие сегодня аналоги металинз [Wyatt Adams, Mehdi Sadatgol, and Durdu Review of near-field optics and superlenses for sub-diffraction-limited nano-imaging // AIP Advances 6, 100701 (2016)], их использование сильно ограничено классом исследуемых объектов, поскольку они предназначены для демонстрации потенциальной возможности получения субволнового пространственного разрешения. Главным недостатком этих аналогов является невозможность визуализации и диагностики образцов (объектов) со сложной геометрией. Кроме того, для их использования требуется дополнительная математическая обработка полученных изображений, которая исключает принцип формирования изображения в реальном времени.

Известно устройство для визуализации объектов с субволновым пространственным разрешением на основе вынужденного комбинационного рассеяния, содержащее источник излучения, оптически сопряженный с модулем подготовки излучения, который оптически сопряжен с модулем преобразования излучения, который оптически сопряжен с модулем фокусировки, который оптически сопряжен с подложкой, который оптически сопряжен с модулем формирования излучения для регистрации и модулем приема излучения [Thomas J. Fellers and Michael W. Davidson - National High Magnetic Field Laboratory, 1800 East Paul Dirac Dr., The Florida State University, Tallahassee, Florida, 32310].

Указанное устройство выбрано в качестве прототипа предложенного решения.

Недостаток этого устройства заключается в том, что пространственное разрешение определяется числовой апертурой оптической системы и ограничено дифракционным пределом, что приводит к низкому пространственному разрешению.

Технический результат изобретения заключается в том, что благодаря использованию металинзы в составе оптического микроскопа с заданной числовой апертурой пространственное разрешение улучшается более чем в 4 раза и не ограничивается дифракционным пределом.

Сущность изобретения заключается в том, что в устройстве для визуализации объектов с субволновым пространственным разрешением на основе вынужденного комбинационного рассеяния, содержащем источник излучения, оптически сопряженный с модулем подготовки излучения, который оптически сопряжен с модулем преобразования излучения, который оптически сопряжен с модулем фокусировки, который оптически сопряжен с подложкой, который оптически сопряжен с модулем формирования излучения для регистрации и модулем приема излучения, на подложке расположена металинза, а в качестве модуля преобразования излучения используют модуль частотной фильтрации и отклонения излучения.

Существует вариант, в котором в качестве металинзы используют плоскопараллельную пленку толщиной от 1 до 100 нм.

Существует также вариант, в котором в качестве материала для металинзы используют нанокомпозиты оксинитридов переходной группы металлов.

Существует также вариант, в котором в качестве материала металинзы используют нанокомпозитную пленку метал-диэлектрик вблизи порога перколяции.

Существует также вариант, в котором металинза включает массив контактирующих металлических частиц размером от 1 нм от 100 нм, которые формируют проводящие цепочки в диэлектрической среде.

Существует также вариант, в котором проводящие цепочки расположены в металинзе случайным образом.

Существует также вариант, в котором в качестве модуля частотной фильтрации и отклонения излучения используют светоделительный модуль, содержащий дихроичное зеркало.

Существует также вариант, в котором в качестве модуля подготовки излучения используют модуль, включающий серый фильтр, расширитель пучка и деполяризатор.

Существует также вариант, в котором в качестве модуля фокусировки излучения используют объектив с низкой числовой апертурой.

Существует также вариант, в котором в качестве модуля формирования излучения для регистрации используют режекторный оптический фильтр, поляризатор, объектив с низкой числовой апертурой.

На фиг. 1 изображено устройство для визуализации объектов с субволновым пространственным разрешением на основе вынужденного комбинационного рассеяния в общем виде.

На фиг. 2 изображено устройство для визуализации объектов с субволновым пространственным разрешением на основе вынужденного комбинационного рассеяния с детализацией модуля подготовки излучения и модуля формирования излучения для регистрации.

Устройство для визуализации объектов с субволновым пространственным разрешением на основе вынужденного комбинационного рассеяния, содержит источник излучения 1, оптически сопряженный с модулем подготовки излучения 2. В качестве источника излучения 1 можно использовать лазер с непрерывным излучением малой интенсивности, меньшей МВт/см². Модуль подготовки излучения 2 в общем виде формирует излучение по мощности, и задает диаметр лазерного луча, соответствующего входному зрачку объектива, входящему в модуль фокусировки. При этом модуль подготовки излучения 2 оптически сопряжен с модулем преобразования излучения 3, в качестве которого используют модуль частотной фильтрации и отклонения излучения. При этом модуль преобразования излучения 3 оптически сопряжен с модулем фокусировки 4, который в общем виде фокусирует излучение на исследуемый объект 7, расположенный на металинзе 6. При этом модуль фокусировки 4 оптически сопряжен с подложкой 5, в качестве которой можно использовать любой предметный столик. На подложке 5 расположена металинза 6, которая в общем виде выполнена в виде нанокомпозитной пленки метал-диэлектрик. На металинзе 6 располагают объект 7 в качестве которого можно использовать микро- и нано-объекты. При этом объект 7 оптически сопряжен с модулем формирования излучения для регистрации 8 и модулем приема излучения 9. Модуль формирования излучения для регистрации 8 в общем виде формирует рассеянное излучение для его эффективного детектирования в дальнем поле. В качестве модуля приема излучения 9 можно использовать стандартные детекторы - фотоумножители, лавинообразные фотодиоды, ПЗС-матрицы.

Существует вариант, в котором в качестве металинзы 6 используют плоскопараллельную пленку толщиной от 1 до 100 нм. Пленка состоит из разупорядочного нанокомпозита метал-диэлектрик, который обладает рамановской активностью. В качестве нанокомпозита используются нитриды и оксиды металлов переходной группы. Процесс формирования плоскопараллельной пленки может осуществляться методом молекулярной лучевой эпитаксии или методом магнетронного напыления.

Существует также вариант, в котором в качестве материала для металинзы 6 используют нанокомпозиты оксинитридов переходной группы металлов. Такие нанокомпозиты обеспечивают усиленное поглощение падающего излучения благодаря плазмонному резонансу. В основе такого усиления лежит вырожденное поведение диэлектрической проницаемости нанокомпозита в видимой и инфракрасной области. Кроме того, они обеспечивают высокую кубическую нелинейность по сравнению с нитридами металлов переходной группы.

Существует также вариант, в котором в качестве материала металинзы 6 используют нанокомпозитную пленку метал-диэлектрик вблизи порога перколяции. Такая металинза обеспечивает многочастотный режим работы в видимой и инфракрасной области.

Существует также вариант, в котором металинза 6 включает массив контактирующих металлических частиц размером от 1 нм от 100 нм, которые формируют проводящие цепочки в диэлектрической среде. В качестве металлических частиц можно использовать нитриды металлов переходной группы обеспечивает с рамановской активностью. Процесс формирования проводящих цепочек может осуществляться случайным образом в процессе магнитронного напыления металлов и последующего окисления.

Существует также вариант, в котором в качестве модуля частотной фильтрации и отклонения излучения 3 используют светоделительный модуль, содержащий дихроичное зеркало. Дихроичное зеркало обеспечивает спектральную фильтрацию отраженного излучения, которое после фокусировки направляется в детектор.

Существует также вариант, в котором в качестве модуля подготовки излучения 2 используют модуль, включающий серый фильтр 10, расширитель пучка 11 и деполяризатор 12, в качестве которых можно использовать стандартные оптические элементы.

Существует также вариант, в котором в качестве модуля фокусировки излучения 4 используют стандартный объектив с числовой апертурой меньше единицы с любым увеличением.

Существует также вариант, в котором в качестве модуля формирования излучения для регистрации 8 используют режекторный оптический фильтр 13, поляризатор 14, объектив с низкой числовой апертурой 15, в качестве которых можно использовать стандартные оптические элементы.

Устройство для визуализации объектов с субволновым пространственным разрешением на основе вынужденного комбинационного рассеяния работает следующим образом. Слабо-сфокусированное лазерное излучение освещает исследуемый объект 7, который находится на поверхности металинзы 6. Под действием лазерного излучения в металинзе 6 возбуждаются нелинейные плазмонные моды. На поверхности металинзы 6 эти моды генерируют оптическое ближнее поле, которое взаимодействует с исследуемым объектом 7. Благодаря волновому смешению и сканированию образца достигается высокое пространственное разрешение, которое значительно лучше (в 4 раза) дифракционного предела.

То, что в устройстве для визуализации объектов с субволновым пространственным разрешением на основе вынужденного комбинационного рассеяния, содержащем источник излучения 1, оптически сопряженный с модулем подготовки излучения 2, который оптически сопряжен с модулем преобразования излучения 3, который оптически сопряжен с модулем фокусировки 4, который оптически сопряжен с подложкой 5, который оптически сопряжен с модулем формирования излучения для регистрации 8 и модулем приема излучения 9, на подложке 5 расположена металинза 6, а в качестве модуля преобразования излучения 3 используют модуль частотной фильтрации и отклонения излучения 3 приводит к субволновому пространственному разрешению на основе вынужденного комбинационного рассеяния света. В металинзе 6, содержащей проводящие цепочки, генерируется локально-усиленное вынужденное комбинационное рассеяние света, которое взаимодействует с оптическим ближним полем исследуемого образца 7, рассеивается и детектируется с помощью модуля приема излучения 9 через механизм волнового смешения. Улучшенное пространственное разрешение за пределом дифракции света достигается благодаря доступу к оптическому ближнему полю объекта 7, которое содержит высокие пространственные частоты.

То, что в качестве металинзы 6 используют плоско-параллельную пленку толщиной от 1 до 100 нм приводит к формированию локализованных вторичных источников света на поверхности металинзы 6, излучение от которых взаимодействует с исследуемым объектом 7.

То, что в качестве материала для металинзы 6 используют нанокомпозиты оксинитридов переходной группы металлов приводит к усиленному поглощению падающего излучения металинзы 6. Кроме того, такие нанокомпозиты обеспечивают наиболее эффективное нелинейное усиление оптического сигнала и приводят к улучшению пространственного разрешения.

То, что в качестве материала металинзы 6 используют нанокомпозитную пленку метал-диэлектрик вблизи порога перколяции приводит к широкополосному режиму работы металинзы 6. Это значит, что режим сверхразрешения может быть получен в широком спектральном диапазоне.

То, что металинза 6 включает массив контактирующих металлических частиц размером от 1 нм от 100 нм, которые формируют проводящие цепочки в диэлектрической среде, выполняет роль цепочечных нелинейных резонаторов, усиливающих оптического излучение внутри металинзы, и улучшающих пространственное разрешение.

То, что проводящие цепочки расположены в металинзе 6 случайным образом приводит к возможности визуализации нано- и микро-объектов произвольной формы.

То, что в качестве модуля частотной фильтрации и отклонения излучения 3 используют светоделительный модуль, содержащий дихроичное зеркало приводит к спектральной фильтрации рассеянного излучения от объекта 7 на металинзе 6.

То, что в качестве модуля подготовки излучения 2 используют модуль, включающий серый фильтр 10, расширитель пучка 11 и деполяризатор 12 приводит к эффективной фокусировке лазерного излучения на объект 7, находящийся на металинзе.

То, что в качестве модуля фокусировки излучения 4 используют объектив с низкой числовой апертурой 4 приводит к тому что, что разрешение не зависит от числовой апертуры, которая влияет только на чувствительность оптического микроскопа.

То, что в качестве модуля формирования излучения для регистрации 8 используют режекторный оптический фильтр 13, поляризатор 14, объектив с низкой числовой апертурой 15 приводит к возможности оптической визуализации суб-микро- и нано-объектов с пространственным разрешением за пределом дифракции света.

Изобретение относится к области субдифракционной сканирующей оптической микроскопии и может быть использовано для визуализации и химической диагностики физических и биологических объектов за пределами дифракции света с помощью металинзы, встроенной в стандартный оптический микроскоп с низкой числовой апертурой. Сущность изобретения заключается в том, что в устройстве для визуализации объектов с субволновым пространственным разрешением на основе вынужденного комбинационного рассеяния, содержащем источник излучения 1, оптически сопряженный с модулем подготовки излучения 2, который оптически сопряжен с модулем преобразования излучения 3, который оптически сопряжен с модулем фокусировки 4, который оптически сопряжен с подложкой 5, которая оптически сопряжена с модулем формирования излучения для регистрации 8 и модулем приема излучения 9, на подложке 5 расположена металинза 6, а в качестве модуля преобразования излучения 3 используют модуль частотной фильтрации и отклонения излучения 3. Технический результат - улучшение пространственного разрешения. 9 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для визуализации объектов с субволновым пространственным разрешением на основе вынужденного комбинационного рассеяния, содержащее источник излучения, оптически сопряженный с модулем подготовки излучения, который оптически сопряжен с модулем преобразования излучения, который оптически сопряжен с модулем фокусировки, который оптически сопряжен с подложкой, который оптически сопряжен с модулем формирования излучения для регистрации и модулем приема излучения, отличающееся тем, что на подложке расположена металинза, а в качестве модуля преобразования излучения используют модуль частотной фильтрации и отклонения излучения.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве металинзы используют плоско-параллельную пленку толщиной от 1 до 100 нм.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве материала для металинзы используют нанокомпозиты оксинитридов переходной группы металлов.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве материала металинзы используют нанокомпозитную пленку метал-диэлектрик вблизи порога перколяции.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что металинза включает массив контактирующих металлических частиц размером от 1 нм от 100 нм, которые формируют проводящие цепочки в диэлектрической среде.

6. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что проводящие цепочки расположены в металинзе случайным образом.

7. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве модуля частотной фильтрации и отклонения излучения используют светоделительный модуль, содержащий дихроичное зеркало.

8. Устройство по п. 1, отличающее тем, что в качестве модуля подготовки излучения используют модуль, включающий серый фильтр, расширитель пучка и деполяризатор.

9. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве модуля фокусировки излучения используют объектив с низкой числовой апертурой.

10. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве модуля формирования излучения для регистрации используют режекторный оптический фильтр, поляризатор, объектив с низкой числовой апертурой.