科研人員提出一種生成“又寬又薄”光片的新方法

3月26日，中國科學院深圳先進技術研究院光電工程技術中心李劍平團隊在知名光學期刊Optics Letters上發表最新研究成果。研究團隊提出了一種生成薄而寬的準無衍射激光光片的光瞳掩模優化設計方法。博士后研究員唐城博士為論文第一作者，正高級工程師李劍平博士為通訊作者。

光片熒光顯微術（light sheet microscopy）是活體生物成像的一場革命。通過將激發激光限制于顯微物鏡景深范圍附近的光片薄層，既可以減少顯微成像的離焦模糊，又可以減少光漂白和光毒性，極大地提高了圖像的清晰度，延長了生物樣品的觀測時間。通過逐層掃描樣品或光片可形成三維圖像。使用面陣數字相機的上百萬個像素對焦平面中的目標斷層進行并行采樣，具有極高的采樣速度；結合流式進樣方法還可以實現高通量流式顯微成像。由于其高清、無損、三維、快速等特點，光片熒光顯微術是表征活體細胞、組織、胚胎和器官的理想手段。

然而，光片顯微術的成像性能受限于光片的光學屬性，其成像分辨率受限于光片的厚度，成像視場受限于光片的寬度。而光片的厚度和寬度因光波固有的衍射屬性相互制衡。薄光片支持高分辨率，但衍射發散快、有效寬度窄，限制了成像視場；厚光片衍射發散慢，支持大視場成像，但限制了分辨率。光的衍射屬性導致成像分辨率和視場構成一對天然矛盾，限制了光片顯微成像中生物個體的大小及表征通量。高分辨率大視場顯微成像需要薄而寬的光片，這種光片具有無衍射性質。無衍射光片必然伴有旁瓣，旁瓣對成像構成離焦背景噪音。因而基于無衍射光片的顯微熒光成像須控制旁瓣的影響。

用于生成“更寬更薄”光片的光瞳掩膜及其使用方法示意圖 

科研團隊供圖

針對這一問題，研究者提出了一種數值優化方法，可以用來設計一種叫做光瞳掩膜的衍射光學器件，以生成薄而寬的光片。該衍射光學器件通過調制振幅或相位，可以調控光片的厚度、寬度和旁瓣，從而突破高斯光束傳播規律的限制，在僅使用廉價的柱透鏡和掩模板的基礎上就實現了薄而寬的光片。

該方法巧妙提出了一個光片質量的全局評價因子，用以表征光片厚度、無衍射范圍和旁瓣之間的制衡關系。理論和實驗表明，優化后的掩模可將靜態光片無衍射范圍擴大50%，同時使其旁瓣低于20%。據此生成的新型靜態光片可以在不犧牲軸向分辨率的前提下，對樣品實現更大視野成像。

相關論文信息：https://doi.org/10.1364/OL.454833