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 

Описание патента на изобретение RU2711584C1

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.

Похожие патенты RU2711584C1

название год авторы номер документа
Способ формирования пленки оксинитрида титана TiON термическим окислением плазмонного материала 2023
  • Черных Елена Александровна
  • Харитонов Антон Викторович
  • Харинцев Сергей Сергеевич
RU2821972C1
Способ создания управляемого субволнового температурного профиля и плазмонная метаповерхность для реализации способа 2022
  • Черных Елена Александровна
  • Харитонов Антон Викторович
  • Харинцев Сергей Сергеевич
RU2796816C1
Способ детектирования температуры стеклования наноразмерных полимерных материалов и термоплазмонный нагреватель для реализации способа 2021
  • Черных Елена Александровна
  • Харинцев Сергей Сергеевич
RU2771440C1
Способ управления фазовым составом неорганических галоидных перовскитов и термоуправляемый источник света, полученный указанным способом 2023
  • Батталова Элина Ильгизовна
  • Харинцев Сергей Сергеевич
RU2815603C1
МНОГОКАНАЛЬНЫЙ ОПТОВОЛОКОННЫЙ НЕЙРОИНТЕРФЕЙС ДЛЯ МУЛЬТИМОДАЛЬНОЙ МИКРОСКОПИИ МОЗГА ЖИВОТНЫХ 2014
  • Амитонова Любовь Владимировна
  • Анохин Константин Владимирович
  • Желтиков Алексей Михайлович
  • Федотов Андрей Борисович
  • Федотов Илья Валерьевич
RU2584922C1
СКАНИРУЮЩИЙ ЗОНДОВЫЙ МИКРОСКОП ДЛЯ ОПТИЧЕСКОЙ СПЕКТРОМЕТРИИ 2015
  • Быков Андрей Викторович
  • Кузнецов Евгений Владимирович
  • Тимофеев Сергей Владимирович
  • Фастов Сергей Анатольевич
  • Шелаев Артем Викторович
RU2616854C2
Иммерсионная зонная пластинка с субволновым разрешением 2021
  • Минин Олег Владиленович
  • Минин Игорь Владиленович
RU2763864C1
Способ и устройство формирования наклонной фотонной струи, формируемой мезоразмерной частицей 2023
  • Минин Игорь Владиленович
  • Минин Олег Владиленович
RU2809980C1
Способ формирования изображения объектов с субдифракционным разрешением в миллиметровом, терагерцевом, инфракрасном и оптическом диапазонах длин волн 2018
  • Минин Игорь Владиленович
  • Минин Олег Владиленович
RU2694123C1
СПЕКТРОСКОПИЧЕСКАЯ ГОЛОВКА ДЛЯ ЦИФРОВОГО ОПТИЧЕСКОГО БЛОКА УСТРОЙСТВА ДЛЯ ИДЕНТИФИКАЦИИ МИКРООРГАНИЗМОВ В ИССЛЕДУЕМОМ БИОЛОГИЧЕСКОМ ОБРАЗЦЕ 2024
  • Ширшин Евгений Александрович
  • Рубекина Анна Александровна
  • Якимов Борис Павлович
  • Каникевич Дмитрий Владимирович
  • Горский Евгений Вячеславович
  • Коноваленко Федор Дмитриевич
RU2825977C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 711 584 C1

Реферат патента 2020 года Устройство для визуализации объектов с субволновым пространственным разрешением на основе вынужденного комбинационного рассеяния

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.

Формула изобретения RU 2 711 584 C1

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.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2020 года RU2711584C1

US 9939129 B2, 10.04.2018
Автомобиль-сани, движущиеся на полозьях посредством устанавливающихся по высоте колес с шинами 1924
  • Ф.А. Клейн
SU2017A1
S.S
Stafeev, V.V
Kotlyar, A.G
Nalimov, et al
Subwavelength gratings for polarization conversion and focusing of laser light
Photonics Nanostruct
Fundam
Appl., 27 (2017), pp
Способ образования коричневых окрасок на волокне из кашу кубической и подобных производных кашевого ряда 1922
  • Вознесенский Н.Н.
SU32A1

RU 2 711 584 C1

Авторы

Харинцев Сергей Сергеевич

Даты

2020-01-17Публикация

2019-06-04Подача