專利名稱：超短脈沖激光誘導(dǎo)的多光子電離非線性顯微成像方法和系統(tǒng)及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及材料分析和顯微成像技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種基于原子、分子的多光子電離過程的非線性顯微成像新方法和新系統(tǒng)及其應(yīng)用。
背景技術(shù)：
在人類世界的科技發(fā)展中，對微觀物體的顯微成像和微觀材料分析始終是一個(gè)極為重要的科學(xué)研究領(lǐng)域，該領(lǐng)域的突破往往會對其它學(xué)科和技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生顯著的推動作用。從最早的光學(xué)放大鏡到現(xiàn)代的超級顯微鏡，如掃描電子顯微鏡、原子力顯微鏡及隧道掃描顯微鏡等，可以說每一項(xiàng)新成像技術(shù)的出現(xiàn)都是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要里程碑。隨著激光及超快、超強(qiáng)激光脈沖的出現(xiàn)，使得非線性光學(xué)的深入研究和實(shí)際應(yīng)用成為可能。將光與物質(zhì)相互作用的非線性過程應(yīng)用于顯微成像和材料分析，不但可以大大地提高光學(xué)顯微術(shù)的空間分辨率和對被測物組分和結(jié)構(gòu)的鑒別率，利用分層掃描技術(shù)，還可進(jìn)行三維成像。
已經(jīng)報(bào)道的非線性光學(xué)成像技術(shù)有多光子熒光成像、二次諧波及三次諧波成像、反斯托克斯顯微術(shù)、受激熒光發(fā)射損耗顯微術(shù)等，其中多光子熒光顯微和三次諧波成像都出現(xiàn)了很好的應(yīng)用實(shí)例。不過，多光子熒光僅在生物樣本中得到了廣泛的應(yīng)用，其中很多情況下需要在被測物中注入熒光標(biāo)記物，而三次諧波成像也由于其對被測物非線性性質(zhì)的特殊要求有很大的應(yīng)用局限性。
激光誘導(dǎo)擊穿光譜(LIBS)被認(rèn)為是在很多方面優(yōu)于傳統(tǒng)化學(xué)材料分析方法的一種重要的新型材料分析技術(shù)。這種技術(shù)具有對被測物準(zhǔn)備工作的要求低，適用范圍廣，對被測物損傷小等特點(diǎn)。但LIBS需要用到相對復(fù)雜的光譜分析系統(tǒng)，因此往往伴隨著整體光信號利用率不夠高、測試數(shù)據(jù)量大、時(shí)間長等問題。另外，在光譜分析系統(tǒng)的靈敏度不能滿足要求的情況下，需要依靠增加照射激光的光強(qiáng)來提高等離子體信號的強(qiáng)度，這就加重了對被測物的損傷程度和范圍，嚴(yán)重的損傷同時(shí)會造成空間分辨率的降低。所以，在顯微成像以及微米或亞微米量級的微區(qū)內(nèi)材料分析等方面，LIBS的應(yīng)用有很大的局限性。
實(shí)際上，如果將LIBS材料分析技術(shù)與掃描共焦激光顯微技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來，用光電探測器代替LIBS中的光譜分析系統(tǒng)并對被測物進(jìn)行逐點(diǎn)掃描就可以形成一種新的非線性成像技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的旨在提供一種超短脈沖激光誘導(dǎo)的多光子電離非線性顯微成像方法和專用系統(tǒng)及其應(yīng)用。它利用超短脈沖激光誘導(dǎo)被測物材料自身或表面附近的氣體電離產(chǎn)生等離子體，并通過測量該等離子體的輻射強(qiáng)度來探測被測物內(nèi)部材料或表面狀態(tài)的空間變化，為材料分析和微觀物質(zhì)觀察提供一種全新的技術(shù)手段。
本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的，公開了一種超短脈沖激光誘導(dǎo)的多光子電離非線性顯微成像方法，其特征在于它包括以下步驟(1)利用會聚的超短脈沖激光誘導(dǎo)被測物局部表面氣體或被測物內(nèi)部的微小區(qū)域電離，從而形成微區(qū)等離子體；(2)采用光電探測器探測電離區(qū)內(nèi)等離子體在可見光波段內(nèi)的電磁波輻射強(qiáng)度；(3)用信號放大器放大由光電探測器輸出的光電信號，并輸入計(jì)算機(jī)存儲該強(qiáng)度值；(4)通過控制被測物與超短脈沖激光束的相對位置，重復(fù)上述步驟對被測物不同位置進(jìn)行二維平面掃描，或不同平面的三維掃描探測，得到被測物不同位置的微區(qū)等離子體輻射強(qiáng)度，將其輸入計(jì)算機(jī)，根據(jù)不同位置的強(qiáng)度構(gòu)造出反映被測物材料性質(zhì)及其空間變化的顯微圖像；(5)對所得的灰度信號圖進(jìn)行偽彩色編碼。
本發(fā)明還公開了專用于超短脈沖激光誘導(dǎo)的多光子電離非線性顯微成像方法的系統(tǒng)。包括超短脈沖激光器，信號放大器，光電探測器，光濾波器，二向色鏡，反射鏡，照明光源，實(shí)時(shí)監(jiān)測裝置CCD，成像透鏡，半透半反鏡，小孔光闌，顯微物鏡，三維移動臺和計(jì)算機(jī)，其特征在于它構(gòu)成多條光路所說的第1條光路是超短脈沖激光器(1)輸出的超短脈沖激光脈沖經(jīng)過二向色鏡(5)的反射后進(jìn)入顯微物鏡(13)，經(jīng)該物鏡聚焦后照射到被測物(15)；所說的第2條光路是被測物(15)被激光激發(fā)產(chǎn)生的等離子體輻射光沿照射激光相反的方向傳播，經(jīng)顯微物鏡(13)收集，然后透過二向色鏡(5)，經(jīng)過光濾波器(4)后，由高靈敏度的光電探測器(3)接收，再通過信號放大器(2)進(jìn)入計(jì)算機(jī)(17)；所說的第3條光路是由照明光源(7)發(fā)出的照明光，經(jīng)反射鏡(6)反射后進(jìn)入顯微物鏡(13)聚焦照射在被測物(15)上；該照明光在導(dǎo)入顯微物鏡之前依次通過第一小孔光闌(11)和第二小孔光闌(12)；所說的第4條光路是被測物(15)散射的照明光沿照明光相反的方向傳播，并被顯微物鏡(13)收集，然后依次經(jīng)過半透半反鏡(10)和成像透鏡(9)進(jìn)入實(shí)時(shí)監(jiān)測裝置CCD(8)；所說的三維移動臺(14)放置被測物。
由電動馬達(dá)或壓電陶瓷驅(qū)動三維移動臺(14)，對被測物實(shí)現(xiàn)二維或三維掃描；或者是由光學(xué)掃描振鏡構(gòu)成的光束掃描器(16)實(shí)現(xiàn)超短脈沖激光束對被測物的二維或三維掃描。
本發(fā)明超短脈沖激光誘導(dǎo)的多光子電離非線性顯微成像方法的用途，其特征在于用于對被測物的表面和內(nèi)部進(jìn)行無損探測和成像。
本發(fā)明超短脈沖激光誘導(dǎo)的多光子電離非線性顯微成像方法的用途，其特征還在于用于對被測物材料的組成成份、結(jié)構(gòu)、密度的性質(zhì)變化進(jìn)行非線性的分辨。
本發(fā)明超短脈沖激光誘導(dǎo)的多光子電離非線性顯微成像方法的用途，其特征還在于可以用于對生物樣品的檢測及病變組織進(jìn)行診斷。
本發(fā)明超短脈沖激光誘導(dǎo)的多光子電離非線性顯微成像方法的用途，其特征還在于可以用于光學(xué)透明材料內(nèi)部微缺陷和折射率變化的檢測。
本發(fā)明超短脈沖激光誘導(dǎo)的多光子電離非線性顯微成像方法的用途，其特征還在于可以為新型的超短脈沖激光微制造過程提供重要的實(shí)時(shí)檢測手段。
本發(fā)明的有益效果是與LIBS相比，該技術(shù)不但具備了LIBS不具備的成像功能，而且大大提高了探測系統(tǒng)的靈敏度，從而可以采用更低的激發(fā)光強(qiáng)，減小或甚至避免對被測物的損傷。同時(shí)，用飛秒或亞皮秒的超短激光脈沖代替LIBS通常采用的納秒激發(fā)光源，這意味著同樣激發(fā)光強(qiáng)時(shí)脈沖的能量大大地降低了，從而進(jìn)一步減小了對被測物的損傷。與掃描共焦激光顯微技術(shù)相比，該技術(shù)本質(zhì)上是一種高度非線性探測成像，因此無論是空間分辨率、還是材料特性的鑒別率上都會有很明顯地改善。對于不但關(guān)心被測物的空間微觀形貌而且關(guān)心被測物材料特性變化的情況，我們提出的超短脈沖激光非線性等離子體顯微技術(shù)將具有很大的優(yōu)勢。這種技術(shù)可用于各種材料如金屬、半導(dǎo)體、陶瓷材料的表面檢測，也可用于光學(xué)材料表面和內(nèi)部的性質(zhì)及結(jié)構(gòu)的檢測，更重要地，該技術(shù)對于生物體病變的檢測和微觀診斷也將會有重要意義。
本發(fā)明的方法和系統(tǒng)適用于固體、液體、氣體等各種材料形態(tài)和成份的檢測。本發(fā)明對被測物材料組成成份及結(jié)構(gòu)變化有較高的靈敏度，空間分辨率可以達(dá)到微米或亞微米量級。對于材料性質(zhì)均勻的被測物表面，本發(fā)明可以提供亞微米量級的表面輪廓圖像。在光學(xué)透明材料的內(nèi)部微缺陷的檢測方面，本發(fā)明將會有重要的應(yīng)用。此外，目前運(yùn)用激光誘導(dǎo)光學(xué)材料變性，產(chǎn)生折射率變化，制備三維光波導(dǎo)、光纖光柵等光電子器件的(光)制造技術(shù)正在快速發(fā)展。本發(fā)明可以為這一新型的激光微制造過程提供重要的實(shí)時(shí)檢測手段，從而對激光制備各種微型光電器件產(chǎn)生關(guān)鍵性的推動作用。
由于本發(fā)明具備非線性的材料分析和分辨能力，同時(shí)可以最大限度地減小探測過程中對被測物的損傷程度，其在生物樣本顯微觀察及病變組織的檢測方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢。生物組織及生物細(xì)胞大多透明，而且各種組織結(jié)構(gòu)的構(gòu)成又比較接近，所以傳統(tǒng)的光學(xué)成像方法很難區(qū)分，通常采用的染色或熒光方法，一方面使得成像過程變得復(fù)雜化，另一方面在有些情況下也會引發(fā)人為的生物毒性。由于本發(fā)明具有高靈敏的材料變化分辨能力，可以嘗試在不染色的情況下對生物樣本進(jìn)行顯微觀察和分析，因此，這將是一種很有前景的生物和醫(yī)學(xué)研究工具。
由于電離過程屬于高階非線性過程，從而可以對被測物材料的組成成份、結(jié)構(gòu)、密度等性質(zhì)變化進(jìn)行非線性的分辨。在對被測物表面進(jìn)行成像的過程中，由于等離子體信號是來自于被測物表面的誘導(dǎo)的附近氣體的電離，而被測物本身不發(fā)生電離，所以可以實(shí)現(xiàn)無損探測和成像。

圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)示意圖；圖2為超短脈沖激光誘導(dǎo)的氮?dú)獾入x子體輻射光譜；圖3為等離子體信號隨激發(fā)激光強(qiáng)度的變化關(guān)系；圖4為標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的橫截面圖；圖5為超短脈沖激光在光學(xué)玻璃內(nèi)部刻寫的微結(jié)構(gòu)圖像；圖6為超短脈沖激光在玻璃片表面刻寫的微結(jié)構(gòu)圖像；圖7為人體口腔粘膜上皮細(xì)胞的顯微圖像。
其中1.超短脈沖激光器；2.信號放大器；3.光電探測器；4.光濾波器；5.二向色鏡；6.反射鏡；7.照明光源；8.實(shí)時(shí)監(jiān)測裝置(CCD)；9.成像透鏡；10.半透半反鏡；11.第一小孔光闌；12.第二小孔光闌；13.顯微物鏡；14.三維移動臺；15.被測物；16.光束掃描器；17.計(jì)算機(jī)。
以下結(jié)合本發(fā)明的實(shí)施例參照附圖進(jìn)行詳細(xì)敘述。
具體實(shí)施方式本發(fā)明超短脈沖激光誘導(dǎo)的多光子電離非線性顯微成像方法，包括以下步驟(1)利用會聚的超短脈沖激光誘導(dǎo)被測物局部表面氣體或被測物內(nèi)部的微小區(qū)域電離，從而形成微區(qū)等離子體。其中超短脈沖激光是脈寬為在10fs與1ps之間、單脈沖能量在0.1nJ與10μJ之間、波長范圍在700nm至2500nm之間的近紅外超短脈沖超短脈沖激光由一個(gè)數(shù)值孔徑(N.A.)0.1-1.5的顯微物鏡聚焦后，激發(fā)被測物自身電離或誘導(dǎo)被測物表面附近的空氣電離，被測物或空氣電離輻射等離子光。
(2)采用光電探測器探測電離區(qū)內(nèi)等離子體在可見光波段內(nèi)的電磁波輻射強(qiáng)度。即被測物或空氣電離輻射等離子光經(jīng)過數(shù)值孔徑0.1-1.5的顯微物鏡收集，再經(jīng)過光濾波器濾掉剩余激發(fā)激光后，由光電探測器探測。
(3)用信號放大器放大由光電探測器輸出的光電信號，并輸入計(jì)算機(jī)存儲該強(qiáng)度值。
(4)通過控制被測物與超短脈沖激光束的相對位置，重復(fù)上述步驟對被測物不同位置進(jìn)行掃描探測，得到被測物不同位置的微區(qū)等離子體輻射強(qiáng)度，將其輸入計(jì)算機(jī)，根據(jù)不同位置的強(qiáng)度構(gòu)造出反映被測物材料性質(zhì)及其空間變化的顯微圖像。
此外，被測物掃描之前或之后，可以通過插入分光鏡或反射鏡引入照明光照射被測物，被測物散射的照明光由插入的半透半反鏡反射后經(jīng)過成像透鏡在實(shí)時(shí)監(jiān)測裝置CCD上成像，在監(jiān)視器中監(jiān)測。
成像過程可以在大氣中進(jìn)行，也可以將被測物置于充有惰性氣體的密閉容器內(nèi)進(jìn)行。
超短脈沖激光誘導(dǎo)的多光子電離非線性顯微成像方法的系統(tǒng)(如圖1所示)，由超短脈沖激光器，信號放大器，光電探測器，光濾波器，二向色鏡，反射鏡，照明光源，實(shí)時(shí)監(jiān)測裝置CCD，成像透鏡，半透半反鏡，小孔光闌，顯微物鏡，三維移動臺和計(jì)算機(jī)等組成，并構(gòu)成四條光路所說的第1條光路是超短脈沖激光器(1)輸出的超短脈沖激光脈沖經(jīng)過二向色鏡(5)的反射后進(jìn)入顯微物鏡(13)，經(jīng)該物鏡聚焦后照射到被測物(15)；所說的第2條光路是被測物(15)被激光激發(fā)產(chǎn)生的等離子體輻射光沿照射激光相反的方向傳播，經(jīng)顯微物鏡(13)收集，然后透過二向色鏡(5)，經(jīng)過光濾波器(4)后，由高靈敏度的光電探測器(3)接收，再通過信號放大器(2)進(jìn)入計(jì)算機(jī)(17)。其中所說的光電探測器光電倍增管、光電二極管，雪崩型光電二極管、CCD和增強(qiáng)型CCD等；所說的信號放大器可以是鎖相放大器或門積分器、電流放大器等。
所說的第3條光路是由照明光源(7)發(fā)出的照明光，經(jīng)反射鏡(6)反射后進(jìn)入顯微物鏡(13)聚焦照射在被測物(15)上；該照明光在導(dǎo)入顯微物鏡之前依次通過第一小孔光闌(11)和第二小孔光闌(12)，與飛秒光調(diào)成共線。所說的照明光為接近準(zhǔn)直的可見光，尤其可以是經(jīng)過適當(dāng)準(zhǔn)直的波長為632.8nm的氦氖激光；照明光既可調(diào)成與超短脈沖激光齊焦也可調(diào)成不齊焦或臨近齊焦。
所說的第4條光路是被測物(15)散射的照明光沿照明光相反的方向傳播，并被顯微物鏡(13)收集，然后依次經(jīng)過半透半反鏡(10)和成像透鏡(9)進(jìn)入實(shí)時(shí)監(jiān)測裝置CCD(8)；所說的三維移動臺(14)用來放置被測物。三維移動臺(14)是由電動馬達(dá)或壓電陶瓷驅(qū)動的三維移動臺，對被測物實(shí)現(xiàn)二維或三維掃描；或者是由光學(xué)掃描振鏡構(gòu)成的光束掃描器(16)實(shí)現(xiàn)超短脈沖激光束對被測物的二維或三維掃描。
本發(fā)明利用超短脈沖激光誘導(dǎo)被測物自身或表面附近的氣體產(chǎn)生局域的等離子體，采用光電探測器探測該等離子體的輻射強(qiáng)度來檢測焦點(diǎn)附近的被測物材料性質(zhì)。通過記錄不同被測物位置處的等離子體輻射強(qiáng)度值，給出分辨材料性質(zhì)空間變化的數(shù)字顯微圖像。
超短脈沖激光器作為激發(fā)光源，其可輸出中心波長在800nm、最大單脈沖能量為2mJ、最小脈寬50fs的激光脈沖。該激光被衰減后(通常被衰減到單脈沖能量為納焦量級)經(jīng)過二向色鏡后進(jìn)入高數(shù)值孔徑的顯微物鏡，經(jīng)該物鏡聚焦到透明被測物內(nèi)部或被測物表面附近的空氣中。在激光的焦點(diǎn)處及其鄰近區(qū)域，被測物(或空氣)會被激光激發(fā)電離并產(chǎn)生等離子體，該等離子體中電子與離子的復(fù)合導(dǎo)致可見光波段的輻射。其中，一部分輻射光沿照射激光相反的方向傳播，并被顯微物鏡收集，然后透過半透半反鏡，經(jīng)過光濾波器濾掉剩余的超短脈沖激光后由高靈敏度的光電探測器接收。
光電探測器將接收到的光信號轉(zhuǎn)變?yōu)槿蹼娏餍盘柡笏腿胄盘柗糯笃鳎盘柋环糯蠛笏腿胗?jì)算機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)采集卡，計(jì)算機(jī)記錄一個(gè)信號強(qiáng)度并將其存儲起來。該過程完成后計(jì)算機(jī)控制掃描裝置移動被測物或通過光束掃描器控制超短脈沖激光束的相對移動，在新的被測物位置重復(fù)上述操作，得到該位置處的等離子信號強(qiáng)度。這樣通過對被測物不同位置處進(jìn)行掃描探測，得到對應(yīng)不同位置處的等離子強(qiáng)度，最終構(gòu)成一幅被測物的顯微灰度圖像或者是偽彩色圖像。為了實(shí)時(shí)監(jiān)控成像過程，在等離子體成像之前或之后，可以通過插入反射鏡引入照明光，并插入半透半反鏡，使被測物散射光經(jīng)過成像透鏡成像在CCD上，通過監(jiān)視器監(jiān)測。
沿激光傳播方向前后移動被測物，可以調(diào)節(jié)激光焦點(diǎn)和被測物表面之間的相對距離。若將激光焦點(diǎn)調(diào)節(jié)到透明被測物內(nèi)部，此時(shí)等離子體來自被測物材料自身的電離，通過橫向掃描被測物并記錄不同位置所對應(yīng)的等離子體信號強(qiáng)度，就可以得到分辨被測物內(nèi)部材料空間變化的數(shù)字顯微圖像，這樣可以分辨材料組成成份的變化，也可以分辨材料結(jié)構(gòu)和密度等性質(zhì)的變化。若將激光焦點(diǎn)調(diào)節(jié)到被測物表面以外，讓激光的焦點(diǎn)和被測物表面有一定的距離，此時(shí)激光誘導(dǎo)的光電子在激光的作用會將表面附近的空氣電離，通過橫向掃描被測物并記錄不同位置所對應(yīng)的空氣等離子體信號強(qiáng)度獲得數(shù)字顯微圖像，可以分辨被測物表面材料性質(zhì)或形貌的空間變化。
在對被測物表面成像時(shí)，激光焦點(diǎn)和表面之間的距離受激光參數(shù)(包括強(qiáng)度、聚焦條件等)和被測物性質(zhì)(主要是損傷閾值)的影響，其取值范圍一般在2μm到30μm之間。如果距離太大，被測物對空氣電離影響會太小，如果距離太小，激光又會將被測物打壞。
本發(fā)明中采用幾十至幾百飛秒的激光超短脈沖作為激發(fā)光，其所激發(fā)的等離子體輻射以連續(xù)譜為主，如附圖2所示為超短脈沖激光誘導(dǎo)的氮?dú)獾入x子光譜。
由于超短脈沖激光誘導(dǎo)被測物電離的主要機(jī)制是多光子電離，是一種高階非線性過程，這樣本發(fā)明實(shí)際上是一種光學(xué)材料非線性分析及顯微成像方法，如附圖3所示的等離子體信號隨激發(fā)激光強(qiáng)度的變化關(guān)系。純SiO2構(gòu)成的標(biāo)準(zhǔn)光纖包層和由摻鍺(Ge)的SiO2構(gòu)成的纖芯所產(chǎn)生等離子體信號和激發(fā)光強(qiáng)呈高次冪關(guān)系，而且，對應(yīng)同一個(gè)激發(fā)光強(qiáng)，等離子的信號區(qū)別很大，這說明等離子信號對材料的變化非常敏感。同時(shí)，這種高階非線性過程使得獲得亞衍射極限的分辨率成為可能，加上經(jīng)高倍顯微物鏡聚焦后的焦斑本身很小，該技術(shù)可以達(dá)到微米甚至亞微米量級的分辨率，而且可以進(jìn)行不同深度的層析掃描，構(gòu)成三維空間圖像。
附圖4(a)為本發(fā)明分辨被測物材料組成成份變化的一個(gè)示例，純SiO2構(gòu)成的標(biāo)準(zhǔn)光纖包層和由摻鍺(Ge)的SiO2構(gòu)成的纖芯被明顯地區(qū)分了出來。所用的系統(tǒng)參數(shù)為激光單脈沖能量16nJ，N.A.＝0.25的10×顯微物鏡聚焦，掃描間隔為3μm。附圖4(b)為采用OlympusBX51顯微鏡放大500×后由數(shù)碼相機(jī)拍攝的顯微圖片。采用傳統(tǒng)顯微鏡只能區(qū)分這種材料變化的光學(xué)表象即折射率的變化，由于光纖包層和纖芯的折射率差別不大，所以顯微圖片的對比度很差。這說明本發(fā)明的這種非線性探測手段可以更直接地探測材料內(nèi)部的成份變化，其對比能力要遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡。
當(dāng)激光在透明被測物內(nèi)部聚焦時(shí)，被測物材料中的原子(或分子)將被電離并在局部形成等離子體。通過移動被測物，并記錄不同空間位置所對應(yīng)的等離子體信號強(qiáng)度，將得到分辨材料性質(zhì)空間變化的顯微圖像。如附圖5(a)，由超短脈沖激光在玻璃內(nèi)刻寫的微結(jié)構(gòu)可以被清晰地展現(xiàn)出來。同樣道理，傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡對這種微小折射率變化的材料變性的區(qū)分能力要差很多，如附圖5(b)所示。獲得圖5(a)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)為激光單脈沖能量為16nJ，聚焦鏡為N.A.＝0.25的10×顯微物鏡，掃描間隔為3μm。圖5(b)是Olympus BX51顯微鏡放大250×后由數(shù)碼相機(jī)拍攝的圖片。
附圖6為在玻璃表面由超短脈沖激光燒蝕技術(shù)制備的一個(gè)微結(jié)構(gòu)的顯微圖像。其中圖6(a)是本技術(shù)獲得的圖像，圖6(b)是傳統(tǒng)顯微鏡像獲得的圖像。比較兩圖可以看出，圖(a)具有明顯的深度分辨和對比能力，這一點(diǎn)在圖像的左半部分反映的更明顯。獲得圖6(a)的圖像的參數(shù)為激光單脈沖能量為300nJ，聚焦鏡為N.A.＝0.65的40×顯微物鏡，激光焦點(diǎn)距離玻璃表面為16μm，掃描間隔為3μm。圖6(b)是Olympus BX51顯微鏡放大250×由數(shù)碼相機(jī)拍攝的圖片。圖6(a)、(b)對應(yīng)的實(shí)際尺寸為150×150μm2。
附圖7所示為人體口腔上皮細(xì)胞的顯微圖像，其中圖7(a)為激光焦點(diǎn)在細(xì)胞內(nèi)部時(shí)獲得的細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)；圖7(b)為焦點(diǎn)在細(xì)胞表面附近通過空氣等離子體獲得的細(xì)胞表面狀況圖像，由于細(xì)胞表面材料性質(zhì)的變化很小，圖7(b)實(shí)際反映了細(xì)胞的表面形貌；獲得圖7(a)和7(b)的圖像的參數(shù)為激光單脈沖能量為12nJ，聚焦鏡為N.A.＝0.65的40×顯微物鏡，掃描間隔為1μm。(c)和(d)分別是(a)和(b)的偽彩色圖像，(a)、(b)、(c)、(d)對應(yīng)的實(shí)際尺寸為100×100μm2。
權(quán)利要求
1.一種超短脈沖激光誘導(dǎo)的多光子電離非線性顯微成像方法，其特征在于它包括以下步驟(1)利用會聚的超短脈沖激光誘導(dǎo)被測物局部表面氣體或被測物內(nèi)部的微小區(qū)域電離，從而形成微區(qū)等離子體；(2)采用光電探測器探測電離區(qū)內(nèi)等離子體在可見光波段內(nèi)的電磁波輻射強(qiáng)度；(3)用信號放大器放大由光電探測器輸出的光電信號，并輸入計(jì)算機(jī)存儲該強(qiáng)度值；(4)通過控制被測物與超短脈沖激光束的相對位置，重復(fù)上述步驟并對被測物進(jìn)行二維平面掃描，或不同平面的三維掃描探測，得到被測物不同位置的微區(qū)等離子體輻射強(qiáng)度，將其輸入計(jì)算機(jī)，根據(jù)不同位置的強(qiáng)度構(gòu)造出反映被測物材料性質(zhì)及其空間變化的顯微圖像。(5)對所得的灰度信號圖進(jìn)行偽彩色編碼。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超短脈沖激光誘導(dǎo)的多光子電離非線性顯微成像方法，其特征在于所說的步驟(1)中，超短脈沖激光是脈寬在10fs與1ps之間、單脈沖能量在0.1nJ與10μJ之間、波長范圍在700nm至2500nm之間的近紅外超短脈沖。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的超短脈沖激光誘導(dǎo)的多光子電離非線性顯微成像方法，其特征在于所說的步驟(1)中，超短脈沖激光由一個(gè)數(shù)值孔徑(N.A.)為0.1與1.5范圍內(nèi)的顯微物鏡聚焦后，激發(fā)被測物自身電離或誘導(dǎo)被測物表面附近的空氣電離，被測物或空氣電離產(chǎn)生等離子體輻射。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的超短脈沖激光誘導(dǎo)的多光子電離非線性顯微成像方法，其特征在于在對被測物表面成像時(shí)，所說的激光焦點(diǎn)和被測物表面之間的距離在2μm到30μm之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的超短脈沖激光誘導(dǎo)的多光子電離非線性顯微成像方法，其特征在于所說的步驟(2)中，被測物或空氣電離所輻射的等離子光經(jīng)過數(shù)值孔徑(N.A.)為0.1與1.5范圍內(nèi)的顯微物鏡收集，再經(jīng)過光濾波器濾掉剩余激發(fā)激光后，由光電探測器探測。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的超短脈沖激光誘導(dǎo)的多光子電離非線性顯微成像方法，其特征在于在對所說的被測物掃描之前，通過插入分光鏡或反射鏡引入照明光照射被測物，被測物散射的照明光由插入的半透半反鏡反射后經(jīng)過成像透鏡在實(shí)時(shí)監(jiān)測裝置CCD上成像，在監(jiān)視器中監(jiān)測。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超短脈沖激光誘導(dǎo)的多光子電離非線性顯微成像方法，其特征在于成像過程可以在大氣中進(jìn)行，也可以將被測物置于充有惰性氣體的密閉容器內(nèi)進(jìn)行。
8.一種專用于權(quán)利要求1的超短脈沖激光誘導(dǎo)的多光子電離非線性顯微成像方法的系統(tǒng)，包括超短脈沖激光器，信號放大器，光電探測器，光濾波器，二向色鏡，反射鏡，照明光源，實(shí)時(shí)監(jiān)測裝置CCD，成像透鏡，半透半反鏡，小孔光闌，顯微物鏡，三維移動臺和計(jì)算機(jī)，其特征在于所說的第1條光路是超短脈沖激光器(1)輸出的超短脈沖激光脈沖經(jīng)過二向色鏡(5)的反射后進(jìn)入顯微物鏡(13)，經(jīng)該物鏡聚焦后照射到被測物(15)；所說的第2條光路是被測物(15)被激光激發(fā)產(chǎn)生的等離子體輻射光沿照射激光相反的方向傳播，經(jīng)顯微物鏡(13)收集，然后透過二向色鏡(5)，經(jīng)過光濾波器(4)后，由高靈敏度的光電探測器(3)接收，再通過信號放大器(2)進(jìn)入計(jì)算機(jī)(17)；所說的第3條光路是由照明光源(7)發(fā)出的照明光，經(jīng)反射鏡(6)反射后進(jìn)入顯微物鏡(13)聚焦照射在被測物(15)上；該照明光在導(dǎo)入顯微物鏡之前依次通過第一小孔光闌(11)和第二小孔光闌(12)；所說的第4條光路是被測物(15)散射的照明光沿照明光相反的方向傳播，并被顯微物鏡(13)收集，然后依次經(jīng)過半透半反鏡(10)和成像透鏡(9)進(jìn)入實(shí)時(shí)監(jiān)測裝置CCD(8)；所說的三維移動臺(14)放置被測物。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的超短脈沖激光誘導(dǎo)的多光子電離非線性顯微成像方法的系統(tǒng)，其特征在于由電動馬達(dá)或壓電陶瓷驅(qū)動三維移動臺(14)，對被測物實(shí)現(xiàn)二維或三維掃描；或者是由光學(xué)掃描振鏡構(gòu)成的光束掃描器(16)實(shí)現(xiàn)超短脈沖激光束對被測物的二維或三維掃描。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的超短脈沖激光誘導(dǎo)的多光子電離非線性顯微成像方法的系統(tǒng)，其特征在于所說的光電探測器可以是光電倍增管、光電二極管，雪崩型光電二極管、CCD和增強(qiáng)型CCD。
11.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的超短脈沖激光誘導(dǎo)的多光子電離非線性顯微成像方法的系統(tǒng)，其特征在于所說的信號放大器可以是鎖相放大器或門積分器、電流放大器。
12.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的超短脈沖激光誘導(dǎo)的多光子電離非線性顯微成像方法的系統(tǒng)，其特征在于所說的照明光為接近準(zhǔn)直的可見光，尤其可以是經(jīng)過適當(dāng)準(zhǔn)直的波長為632.8nm的氦氖激光；照明光既可調(diào)成與超短脈沖激光齊焦也可調(diào)成不齊焦或臨近齊焦。
13.權(quán)利要求1的超短脈沖激光誘導(dǎo)的多光子電離非線性顯微成像方法的用途，其特征在于可以用于對被測物的表面和內(nèi)部進(jìn)行無損探測和成像。
14.權(quán)利要求1的超短脈沖激光誘導(dǎo)的多光子電離非線性顯微成像方法的用途，其特征在于可以用于對被測物材料的組成成份、結(jié)構(gòu)、密度的性質(zhì)變化進(jìn)行非線性的分辨。
15.權(quán)利要求1的超短脈沖激光誘導(dǎo)的多光子電離非線性顯微成像方法的用途，其特征在于可以用于對生物樣品的檢測及病變組織進(jìn)行診斷。
16.權(quán)利要求1的超短脈沖激光誘導(dǎo)的多光子電離非線性顯微成像方法的用途，其特征在于可以用于光學(xué)透明材料內(nèi)部微缺陷和折射率變化的檢測。
17.權(quán)利要求1的超短脈沖激光誘導(dǎo)的多光子電離非線性顯微成像方法的用途，其特征在于可以為新型的超短脈沖激光微制造過程提供重要的實(shí)時(shí)檢測手段。
全文摘要
本發(fā)明是一種超短脈沖激光誘導(dǎo)的多光子電離非線性顯微成像方法和系統(tǒng)及其應(yīng)用。利用會聚的超短脈沖激光誘導(dǎo)被測物局部表面氣體或被測物內(nèi)部的微小區(qū)域電離，形成微區(qū)等離子體，采用光電探測器探測該等離子體在可見光波段內(nèi)的電磁波輻射強(qiáng)度，通過記錄被測物不同位置處的等離子體輻射強(qiáng)度，獲得反映被測物材料性質(zhì)空間變化的顯微圖像。該方法探測靈敏度高，對材料組分微小變化的鑒別率要遠(yuǎn)高于線性成像顯微鏡；具有微米或亞微米量級的空間分辨率，可以達(dá)到或超過衍射極限；對被測物損傷程度低，可用于各種材料如金屬、半導(dǎo)體、陶瓷等的表面檢測，也可用于透明材料表面和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的檢測，還可用于生物、人體和動物病變組織的精密診斷。
文檔編號G01N21/956GK1963469SQ200610129630
公開日2007年5月16日 申請日期2006年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月28日
發(fā)明者朱曉農(nóng), 趙友博, 梁艷梅 申請人:南開大學(xué)