超短脉冲激光诱导的多光子电离非线性显微成像方法和系统及其应用技术方案

本发明专利技术是一种超短脉冲激光诱导的多光子电离非线性显微成像方法和系统及其应用。利用会聚的超短脉冲激光诱导被测物局部表面气体或被测物内部的微小区域电离，形成微区等离子体，采用光电探测器探测该等离子体在可见光波段内的电磁波辐射强度，通过记录被测物不同位置处的等离子体辐射强度，获得反映被测物材料性质空间变化的显微图像。该方法探测灵敏度高，对材料组分微小变化的鉴别率要远高于线性成像显微镜；具有微米或亚微米量级的空间分辨率，可以达到或超过衍射极限；对被测物损伤程度低，可用于各种材料如金属、半导体、陶瓷等的表面检测，也可用于透明材料表面和内部结构的检测，还可用于生物、人体和动物病变组织的精密诊断。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及材料分析和显微成像
，特别是一种基于原子、分子的多光子电离过程的非线性显微成像新方法和新系统及其应用。
技术介绍
在人类世界的科技发展中，对微观物体的显微成像和微观材料分析始终是一个极为重要的科学研究领域，该领域的突破往往会对其它学科和技术的发展产生显著的推动作用。从最早的光学放大镜到现代的超级显微镜，如扫描电子显微镜、原子力显微镜及隧道扫描显微镜等，可以说每一项新成像技术的出现都是科学技术发展的重要里程碑。随着激光及超快、超强激光脉冲的出现，使得非线性光学的深入研究和实际应用成为可能。将光与物质相互作用的非线性过程应用于显微成像和材料分析，不但可以大大地提高光学显微术的空间分辨率和对被测物组分和结构的鉴别率，利用分层扫描技术，还可进行三维成像。已经报道的非线性光学成像技术有多光子荧光成像、二次谐波及三次谐波成像、反斯托克斯显微术、受激荧光发射损耗显微术等，其中多光子荧光显微和三次谐波成像都出现了很好的应用实例。不过，多光子荧光仅在生物样本中得到了广泛的应用，其中很多情况下需要在被测物中注入荧光标记物，而三次谐波成像也由于其对被测物非线性性质的特殊要求有很大的应用局限性。激光诱导击穿光谱(LIBS)被认为是在很多方面优于传统化学材料分析方法的一种重要的新型材料分析技术。这种技术具有对被测物准备工作的要求低，适用范围广，对被测物损伤小等特点。但LIBS需要用到相对复杂的光谱分析系统，因此往往伴随着整体光信号利用率不够高、测试数据量大、时间长等问题。另外，在光谱分析系统的灵敏度不能满足要求的情况下，需要依靠增加照射激光的光强来提高等离子体信号的强度，这就加重了对被测物的损伤程度和范围，严重的损伤同时会造成空间分辨率的降低。所以，在显微成像以及微米或亚微米量级的微区内材料分析等方面，LIBS的应用有很大的局限性。实际上，如果将LIBS材料分析技术与扫描共焦激光显微技术有机结合起来，用光电探测器代替LIBS中的光谱分析系统并对被测物进行逐点扫描就可以形成一种新的非线性成像技术。
技术实现思路
本专利技术的目的旨在提供一种超短脉冲激光诱导的多光子电离非线性显微成像方法和专用系统及其应用。它利用超短脉冲激光诱导被测物材料自身或表面附近的气体电离产生等离子体，并通过测量该等离子体的辐射强度来探测被测物内部材料或表面状态的空间变化，为材料分析和微观物质观察提供一种全新的技术手段。本专利技术为实现上述目的，公开了一种超短脉冲激光诱导的多光子电离非线性显微成像方法，其特征在于它包括以下步骤(1)利用会聚的超短脉冲激光诱导被测物局部表面气体或被测物内部的微小区域电离，从而形成微区等离子体；(2)采用光电探测器探测电离区内等离子体在可见光波段内的电磁波辐射强度；(3)用信号放大器放大由光电探测器输出的光电信号，并输入计算机存储该强度值；(4)通过控制被测物与超短脉冲激光束的相对位置，重复上述步骤对被测物不同位置进行二维平面扫描，或不同平面的三维扫描探测，得到被测物不同位置的微区等离子体辐射强度，将其输入计算机，根据不同位置的强度构造出反映被测物材料性质及其空间变化的显微图像；(5)对所得的灰度信号图进行伪彩色编码。本专利技术还公开了专用于超短脉冲激光诱导的多光子电离非线性显微成像方法的系统。包括超短脉冲激光器，信号放大器，光电探测器，光滤波器，二向色镜，反射镜，照明光源，实时监测装置CCD，成像透镜，半透半反镜，小孔光阑，显微物镜，三维移动台和计算机，其特征在于它构成多条光路所说的第1条光路是超短脉冲激光器(1)输出的超短脉冲激光脉冲经过二向色镜(5)的反射后进入显微物镜(13)，经该物镜聚焦后照射到被测物(15)；所说的第2条光路是被测物(15)被激光激发产生的等离子体辐射光沿照射激光相反的方向传播，经显微物镜(13)收集，然后透过二向色镜(5)，经过光滤波器(4)后，由高灵敏度的光电探测器(3)接收，再通过信号放大器(2)进入计算机(17)；所说的第3条光路是由照明光源(7)发出的照明光，经反射镜(6)反射后进入显微物镜(13)聚焦照射在被测物(15)上；该照明光在导入显微物镜之前依次通过第一小孔光阑(11)和第二小孔光阑(12)；所说的第4条光路是被测物(15)散射的照明光沿照明光相反的方向传播，并被显微物镜(13)收集，然后依次经过半透半反镜(10)和成像透镜(9)进入实时监测装置CCD(8)；所说的三维移动台(14)放置被测物。由电动马达或压电陶瓷驱动三维移动台(14)，对被测物实现二维或三维扫描；或者是由光学扫描振镜构成的光束扫描器(16)实现超短脉冲激光束对被测物的二维或三维扫描。本专利技术超短脉冲激光诱导的多光子电离非线性显微成像方法的用途，其特征在于用于对被测物的表面和内部进行无损探测和成像。本专利技术超短脉冲激光诱导的多光子电离非线性显微成像方法的用途，其特征还在于用于对被测物材料的组成成份、结构、密度的性质变化进行非线性的分辨。本专利技术超短脉冲激光诱导的多光子电离非线性显微成像方法的用途，其特征还在于可以用于对生物样品的检测及病变组织进行诊断。本专利技术超短脉冲激光诱导的多光子电离非线性显微成像方法的用途，其特征还在于可以用于光学透明材料内部微缺陷和折射率变化的检测。本专利技术超短脉冲激光诱导的多光子电离非线性显微成像方法的用途，其特征还在于可以为新型的超短脉冲激光微制造过程提供重要的实时检测手段。本专利技术的有益效果是与LIBS相比，该技术不但具备了LIBS不具备的成像功能，而且大大提高了探测系统的灵敏度，从而可以采用更低的激发光强，减小或甚至避免对被测物的损伤。同时，用飞秒或亚皮秒的超短激光脉冲代替LIBS通常采用的纳秒激发光源，这意味着同样激发光强时脉冲的能量大大地降低了，从而进一步减小了对被测物的损伤。与扫描共焦激光显微技术相比，该技术本质上是一种高度非线性探测成像，因此无论是空间分辨率、还是材料特性的鉴别率上都会有很明显地改善。对于不但关心被测物的空间微观形貌而且关心被测物材料特性变化的情况，我们提出的超短脉冲激光非线性等离子体显微技术将具有很大的优势。这种技术可用于各种材料如金属、半导体、陶瓷材料的表面检测，也可用于光学材料表面和内部的性质及结构的检测，更重要地，该技术对于生物体病变的检测和微观诊断也将会有重要意义。本专利技术的方法和系统适用于固体、液体、气体等各种材料形态和成份的检测。本专利技术对被测物材料组成成份及结构变化有较高的灵敏度，空间分辨率可以达到微米或亚微米量级。对于材料性质均匀的被测物表面，本专利技术可以提供亚微米量级的表面轮廓图像。在光学透明材料的内部微缺陷的检测方面，本专利技术将会有重要的应用。此外，目前运用激光诱导光学材料变性，产生折射率变化，制备三维光波导、光纤光栅等光电子器件的(光)制造技术正在快速发展。本专利技术可以为这一新型的激光微制造过程提供重要的实时检测手段，从而对激光制备各种微型光电器件产生关键性的推动作用。由于本专利技术具备非线性的材料分析和分辨能力，同时可以最大限度地减小探测过程中对被测物的损伤程度，其在生物样本显微观察及病变组织的检测方面具有独特的优势。生物组织及生物细胞大多透明，而且各种组织结构的构成又比较接近，所以传统的光学成像方法很难区分，通常采用的染色或荧光方法，一方面使本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超短脉冲激光诱导的多光子电离非线性显微成像方法，其特征在于它包括以下步骤：（１）利用会聚的超短脉冲激光诱导被测物局部表面气体或被测物内部的微小区域电离，从而形成微区等离子体；（２）采用光电探测器探测电离区内等离子体在可见 光波段内的电磁波辐射强度；（３）用信号放大器放大由光电探测器输出的光电信号，并输入计算机存储该强度值；（４）通过控制被测物与超短脉冲激光束的相对位置，重复上述步骤并对被测物进行二维平面扫描，或不同平面的三维扫描探测，得到被测 物不同位置的微区等离子体辐射强度，将其输入计算机，根据不同位置的强度构造出反映被测物材料性质及其空间变化的显微图像。（５）对所得的灰度信号图进行伪彩色编码。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：朱晓农，赵友博，梁艳梅，
申请(专利权)人：南开大学，
类型：发明
国别省市：12[中国|天津]