用于光束的相位波前的选择性成形的设备及其应用制造技术

一种用于使沿着光轴(11)入射的第一光束(57)的相位波前选择性地成形的设备(1)，该第一光束具有与光轴(11)正交地延伸的第一线性输入偏振方向，该设备具有双折射光学材料(14‑17，26，33)。设备(1)使第一光束(57)的第一相位在设备(1)的不同的部分区域(3‑6)中不同地延迟，并且不使沿着光轴(11)入射的第二光束(58)的第二相位在不同的部分区域(3‑6)中不同地延迟，该第二光束具有正交于第一线性输入偏振方向和光轴(11)的第二输入偏振方向。所述不同的部分区域(3‑6)在围绕光轴(11)的方向(12)上彼此相继，其中，双折射光学材料(14‑17，26，33)布置在所有或除了在所述不同部分区域(3‑6)中的一个之外的所有不同部分区域中。双折射光学材料(14‑17，26，33)使具有所述第一输入偏振方向的第一光束(57)在相位方面以在光轴(11)的外周上在方向(12)上从部分区域(3‑6)到部分区域(3‑6)地增加的度量发生延迟。

Selective shaping equipment for phase wavefront of beam and its application

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于光束的相位波前的选择性成形的设备及其应用
本专利技术涉及一种用于沿着光轴入射的第一光束的相位波前(Phasenfronten)的选择性成形的设备，该第一光束具有与光轴正交地延伸的第一线性输入偏振方向。本专利技术尤其涉及具有独立权利要求1的特征的这种设备，并且涉及这种设备在荧光抑制光(Fluoreszenzverhinderungslicht)的第一光束与荧光激发光(Fluoreszenzanregungslicht)的第二光束的共同光路中的应用。
技术介绍
例如，在高分辨率扫描荧光显微镜中，如果将荧光激发光的光束和荧光抑制光的光束共同地聚焦，以在样品中构造荧光激发光的强度最小值(其与由荧光抑制光的强度最大值限制的荧光抑制光的强度最小值重合)，则因此可以使荧光抑制光的光束的相位波前选择性地成形。为了实现这种选择性成形，只有在荧光抑制光的相位波前发生成形后才能合并荧光激发光和荧光抑制光。替代地，可以将如下设备布置在两个光束的共同光路中：该设备使荧光抑制光的光束的相位波前选择性地成形，而使荧光激发光的光束的相位波前不成形或仅如此成形，使得这对聚焦的荧光激发光的中心的强度最大值的构成没有影响。在STED荧光光学显微镜中，这种方案称为easySTED，相应的设备称为easySTED相位板。由DE102007025688A1已知一种可用作easySTED相位板的波长和偏振敏感型光学构造及其应用。该光学构造使光分量的相位波前发生成形，而使在波长或偏振方面与上述光分量不同的另一光分量的相位波前不发生成形。该光学构造的光学构件在其有效面上包括在相位延迟中的至少π/2的不连续性或局部变化，该不连续性或局部变化选择性地施加在光分量中。具体地，光学构件的光学有效面具有圆形的中心区域和围绕该中心区域圆环形地扩展的外围，在中心区域和外围之间，光分量的相位延迟的差异是π，或者光学构件对该光分量在相位延迟方面施加在围绕其光轴的圆周方向上直至2π的增加。具有这种连续增加的相位延迟的相位板也被称为相位时钟。如果两个光分量的偏振不同，则光学构件具有双折射光学特性。为了提供双折射光学特性，光学构件可以建立在液晶聚合物或双折射晶体的基础上，在该液晶聚合物中液晶具有永久的取向。如果这两个光分量在其偏振方面不同，那么基于液晶的空间光调制器也可以用作光学构件。借助空间光调制器可以在很宽的限界内对线性偏振的第一光分量的相位波前的形状进行构型，而使与第一光分量正交的第二光分量的相位波前不改变。由WO2010/133678A1已知具有用于光束成形的双折射设备的荧光显微镜。用于光束成形的设备包括双折射着色(chromatisch)光学元件，所述双折射着色光学元件使荧光抑制光的光束的偏振分布在其射束截面上如此成形，使得随后聚焦的荧光抑制光具有在聚焦点处强度为零点的强度分布。相反地，双折射着色光学元件使具有另一波长的荧光激发光的光束不与荧光抑制光的光束发生接触，使得聚焦的荧光激发光在聚焦点处具有最大值。所述双折射色光学元件包括分段的着色λ/2板，其中，所述λ/2板的双折射光学材料在各个区段中具有其快轴的不同取向。具体地，所述着色λ/2板包括相同尺寸的圆弧段，并且在快轴的定向上围绕着光学构造的光轴逐圆弧段地具有相同的区别。在这种用于光束成形的设备中，荧光抑制光在聚焦点处的零点的构造基于其射束截面上的偏振分布。由D.Wildanger等人的《ASTEDmicroscopealignedbydesign》，光学快报17(18)，16010-160110(2009)已知一种用于实现easySTED方案的分段式着色光束成形设备，该设备包括围绕光轴布置的三个圆弧段。荧光抑制光的光束的波前被不同的圆弧段不同地延迟，而荧光激发光的光束的整个波前保持平整。为此，三个圆环段中的每个分别包括由如下材料制成的两个光学板：所述材料的衍射指数在荧光激发光的波长中相等，但在荧光抑制光的波长中有显著差异。当沿光轴方向堆叠的所有对的光学板的厚度相同时，引入到荧光激发光的波长中的相位延迟对于所有光学板对都是相等的，而荧光抑制光的相位延迟是两个光学板之间的折射率差和每个对的两个光学板的相对厚度的函数。所有已知的着色esaySTED相位板的方案都有以下缺点：其仅在激发光的和/或荧光抑制光的波长的小波长区域内有效。此外，所述着色esaySTED相位板不适用于使激发光和荧光抑制光的光束不同地成形，所述激发光和荧光抑制光的光束不是在其波长方面、而是在强度方面不同——例如在具有可变分子的RESOLFT荧光显微镜中可能就是这种情况。由DE102007025688A1已知一种easySTED相位板的方案，该easySTED相位板应该利用激发光和荧光抑制光的不同偏振，该方案除了借助空间光调制器的实施方式之外都保持地如此模糊，以至于无法仿效。由DE102012010207A1已知一种具有相位板的显微镜，该相位板用于使沿着光轴入射的第一光束的相位波前选择性地成形，该第一光束具有与光轴正交地延伸的第一输入偏振方向。该圆形相位板具有独立权利要求1的前序部分的特征，并且包括两个隔着光轴相对置的半圆形元件。其中一个元件是由双折射光学材料制成的λ/2板。另一元件由玻璃制成。如果平行于λ/2板的特殊轴线偏振的光束照射穿过相位板，那么相对于玻璃制元件而言，在相位板中会产生半个波长的相移。相反地，如果光束的偏振垂直于λ/2板的特殊轴线，则不会产生相对的相位延迟。De102012010207A1还公开了不相应于独立权利要求1的前序部分的相位板的另一实施方式，在该实施方式中，相位板被划分为四个相同大小的、在围绕着光轴的光学方向上彼此相继的圆弧段状元件。这些元件交替地是λ/2板和玻璃制元件，使得一方面两个λ/2板与另一方面玻璃制元件隔着光轴相对置。在具有与光轴正交地延伸的第一线性输入偏振方向的光束的聚焦过程中，形成具有由强度最大值包围的局部强度最小值的强度分布，该局部强度最小值基于λ/2板的在光束的穿过相位板的部分与光束的穿过玻璃制元件的部分之间的相位偏移。
技术实现思路
本专利技术的任务是阐明一种用于使沿着光轴入射的第一光束的相位波前选择性地成形的设备，该设备在其应用中作为esaySTED相位板，该easySTED相位板不仅适用于待成形的荧光抑制光的不同波长，而且适用于不待成形的荧光激发光的不同波长，其中，荧光抑制光和荧光激发光甚至可以具有相等的波长。通过具有独立权利要求1的特征的设备解决本专利技术的任务。权利要求2至15涉及根据本专利技术的设备的优选实施方式。权利要求16针对根据本专利技术的设备的应用。根据本专利技术的设备使沿着光轴入射的第一光束的相位波前选择性地成形，该第一光束具有正交于光轴地延伸的第一线性输入偏振方向。该设备具有双折射光学材料。该设备使第一光束的第一相位在设备的至少三个不同的部分区域中不同地延迟，而该设备不使沿着光轴入射的第二光束的第二相位在不同的部分区域中不同地延迟，该第二光束具有正交于第一线性输入偏振方向和光轴的第二输入偏振方向。在此和在下文中，“相位在设备的不同部分区域中不被不同地延迟”意味着，所本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于使沿着光轴(11)入射的第一光束(57)的相位波前选择性地成形的设备(1)，所述第一光束具有与所述光轴(11)正交地延伸的第一线性输入偏振方向，其中，所述设备(1)/n-具有双折射光学材料(14-17，26，33)；/n-使所述第一光束(57)的第一相位在所述设备(1)的不同的部分区域(3-6)中不同地延迟；/n-不使沿着所述光轴(11)入射的第二光束(58)的第二相位在所述不同的部分区域(3-6)中不同地延迟，所述第二光束具有与所述第一线性输入偏振方向和所述光轴(11)正交的第二输入偏振方向；/n-其中，所述不同的部分区域(3-6)在围绕所述光轴(11)的方向(12)上彼此相继，其中，所述双折射光学材料(14-17，26，33)布置在所有不同部分区域中或在除了所述不同部分区域(3-6)中的一个之外的所有不同部分区域中，/n其特征在于，/n-所述第一光束(57)的第一相位在所述设备(1)的至少三个不同的部分区域(3-6)中被不同地延迟，其中，所述双折射光学材料(14-17，26，33)使具有所述第一输入偏振方向的所述第一光束(57)在其相位方面延迟如下度量：所述度量在所述光轴(11)的外周上在所述方向(12)上逐部分区域(3-6)地增大。/n...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170927 DE 102017122413.01.一种用于使沿着光轴(11)入射的第一光束(57)的相位波前选择性地成形的设备(1)，所述第一光束具有与所述光轴(11)正交地延伸的第一线性输入偏振方向，其中，所述设备(1)
-具有双折射光学材料(14-17，26，33)；
-使所述第一光束(57)的第一相位在所述设备(1)的不同的部分区域(3-6)中不同地延迟；
-不使沿着所述光轴(11)入射的第二光束(58)的第二相位在所述不同的部分区域(3-6)中不同地延迟，所述第二光束具有与所述第一线性输入偏振方向和所述光轴(11)正交的第二输入偏振方向；
-其中，所述不同的部分区域(3-6)在围绕所述光轴(11)的方向(12)上彼此相继，其中，所述双折射光学材料(14-17，26，33)布置在所有不同部分区域中或在除了所述不同部分区域(3-6)中的一个之外的所有不同部分区域中，
其特征在于，
-所述第一光束(57)的第一相位在所述设备(1)的至少三个不同的部分区域(3-6)中被不同地延迟，其中，所述双折射光学材料(14-17，26，33)使具有所述第一输入偏振方向的所述第一光束(57)在其相位方面延迟如下度量：所述度量在所述光轴(11)的外周上在所述方向(12)上逐部分区域(3-6)地增大。


2.根据权利要求1所述的设备(1)，其特征在于，所述第一光束(57)的第一相位在所述设备(1)的至少四个或至少六个不同的部分区域(3-6)中被不同地延迟。


3.根据权利要求1或2所述的设备(1)，其特征在于，所述不同部分区域(3-6)分别具有如下部分：所述部分在沿着所述光轴(11)的投影中是圆弧段状的，并且所述部分在围绕所述光轴(11)的两个方向(12)上与相邻的部分区域(3-6)的圆弧段状部分邻接。


4.根据权利要求3所述的设备(1)，其特征在于，所述不同的部分区域(3-6)的圆弧段状部分在围绕所述光轴(11)的相同角度上延伸。


5.根据以上权利要求中任一项所述的设备(1)，其特征在于，在n个不同的部分区域(3-6)中，所述第一光束(57)的相位的延迟度量逐部分区域(3-6)地增加2π/n。


6.根据以上权利要求中任一项所述的设备(1)，其特征在于，所述双折射材料(14-17，26，33)的有效晶轴(19-21，28，35)在所有不同的部分区域(4-6)中彼此平行地取向，所述不同的部分区域使所述第一光束(57)的相位不同于所述第二光束(58)的相位地延迟。


7.根据以上权利要求中任一项所述的设备(1)，其特征在于，所述不同的部分区域(3-6)中的每个由分段式相位板(2)的板段(7-10)构成。


8.根据权利要求1至7中任一项所述的设备(1)，其特征在于，在所述不同的部分区域(3-6)中的每个中，至少两个堆叠的分段式相位板(22，23，36，49)的至少两个板段(24，25，29-32，37-48)沿着所述光轴(11)彼此相继。


9.根据权利要求8所述的设备(1)，其特征在于，相比于所述至少两个分段式相位板(22，36)中的另一个分段式相位板，所述至少两个...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·罗伊斯，J·菲舍尔，
申请(专利权)人：阿贝里奥仪器有限责任公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE