本發(fā)明涉及超精密激光直寫與超分辨顯微成像領(lǐng)域，具體地，涉及一種基于雙光子吸收效應(yīng)的成像方法和裝置。

背景技術(shù)：

1、激光直寫技術(shù)是利用匯聚的激光直接在光刻膠上進行加工的一種技術(shù)，相比于傳統(tǒng)的光刻、納米壓印以及電子束曝光等微納加工技術(shù)，激光直寫在微納加工方面具有靈活性高、成本低以及對加工環(huán)境要求低等優(yōu)勢，使其在眾多領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用，包括用于制造各種微機械、微流控、微光學、微電子器件以及生物醫(yī)學等領(lǐng)域。傳統(tǒng)的基于單光子吸收效應(yīng)的激光直寫技術(shù)可以實現(xiàn)2d或2.5d加工，但無法真正實現(xiàn)3d微納結(jié)構(gòu)刻寫，飛秒激光的發(fā)明使材料的雙光子效應(yīng)得以發(fā)現(xiàn)，并在微納加工中突破更高的刻寫分辨率，實現(xiàn)亞100納米量級特征尺寸結(jié)構(gòu)的高精度刻寫，同時具有靈活、可實現(xiàn)任意結(jié)構(gòu)三維微納加工的能力。

2、傳統(tǒng)的成像表征方法通常是對刻寫結(jié)構(gòu)進行顯影后，然后噴金，再用電子顯微鏡或者原子力顯微鏡進行觀測。但是由于電鏡成像速度慢，環(huán)境要求高，且成本高昂。在生物醫(yī)學等領(lǐng)域，為對生物細胞進行超分辨顯微成像，通常采用染料對其進行熒光標記；同樣，為了對刻寫結(jié)構(gòu)進行成像，亦可在光刻膠中摻雜染料，后續(xù)對刻寫結(jié)構(gòu)中的熒光染料進行成像，但是由于引入的染料增加了光刻膠成分的復(fù)雜性，使其化學特性產(chǎn)生某些變化，因而對刻寫過程造成一定的影響。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種基于雙光子吸收效應(yīng)的成像方法和裝置。

2、在激光直寫中，一些引發(fā)劑具有雙光子吸收引發(fā)光刻膠聚合的作用，因而可被應(yīng)用于雙光子激光直寫中。除了在刻寫中所具有的雙光子吸收引發(fā)聚合的特性，該引發(fā)劑同時也具備熒光發(fā)光特性，除了對其進行單光子激發(fā)產(chǎn)生熒光之外，還可對其進行雙光子激發(fā)使其產(chǎn)生熒光。利用這一特性可以對刻寫的結(jié)構(gòu)進行超分辨光學顯微成像表征。本發(fā)明利用引發(fā)劑發(fā)光的雙光子吸收效應(yīng)，對刻寫結(jié)構(gòu)進行雙光子激發(fā)實現(xiàn)光學手段的顯微成像表征，具有非侵入、成像速度快、操作簡便、環(huán)境要求低等優(yōu)勢。

3、利用光刻膠中引發(fā)劑的雙光子吸收效應(yīng)，可以同時實現(xiàn)兩種功能：其一，引發(fā)光刻膠產(chǎn)生雙光子聚合，從而實現(xiàn)高精度微納結(jié)構(gòu)的激光直寫；同時無需在光刻膠中額外摻雜染料，而是利用引發(fā)劑本身的熒光發(fā)光特性，對其進行雙光子激發(fā)使其產(chǎn)生熒光并進行成像，實現(xiàn)刻寫結(jié)構(gòu)的超分辨顯微成像表征。本發(fā)明用于引發(fā)光刻膠產(chǎn)生雙光子聚合以及對引發(fā)劑進行雙光子激發(fā)產(chǎn)生熒光的光束可以為同一飛秒光束，通過對刻寫與成像的激發(fā)光路進行復(fù)用，可有效簡化裝置復(fù)雜性。

4、本發(fā)明的基于雙光子吸收效應(yīng)的成像方法，包括如下步驟：

5、（1）制備光刻膠：在光刻膠單體中加入光引發(fā)劑；

6、（2）基于雙光子吸收效應(yīng)的激光直寫：將一束飛秒激光經(jīng)過物鏡聚焦在光刻膠上，引發(fā)光刻膠產(chǎn)生雙光子聚合，實現(xiàn)高精度微納結(jié)構(gòu)的激光直寫；

7、（3）顯影：將刻寫完的結(jié)構(gòu)進行顯影并風干操作；

8、（4）基于雙光子吸收效應(yīng)的雙光子顯微成像：將所述風干的刻寫結(jié)構(gòu)放回到樣品臺上，將一束飛秒激光經(jīng)過物鏡聚焦于樣品上，使其產(chǎn)生雙光子激發(fā)，用物鏡接受所激發(fā)的熒光，并再經(jīng)過透鏡匯聚到光電探測器上進行雙光子成像，實現(xiàn)刻寫結(jié)構(gòu)的雙光子超分辨顯微成像。

9、作為優(yōu)選的，所述刻寫過程可以采用兩種模式：飛秒激光經(jīng)過物鏡、油、基底，再匯聚到滴在基底上的光刻膠上進行刻寫，或?qū)⒔?jīng)過物鏡直接匯聚到物鏡上方與基底之間的光刻膠上進行刻寫。

10、作為優(yōu)選的，所述成像過程可以采用兩種模式：飛秒激光經(jīng)過物鏡、油、基底，匯聚到基底上表面的刻寫結(jié)構(gòu)進行雙光子激發(fā)成像，或經(jīng)過物鏡、油、基底，匯聚浸沒在基底下表面的刻寫結(jié)構(gòu)進行雙光子激發(fā)成像。

11、作為優(yōu)選的，引發(fā)劑是7-二乙基氨-3-（2-噻吩基）香豆素detc。

12、作為優(yōu)選的，所述detc占比光刻膠材料單體與detc的混合物總重量的比例為1%。

13、本發(fā)明提供的裝置包括以下部分：

14、用于引發(fā)光刻膠產(chǎn)生雙光子聚合的激發(fā)光路；用于對刻寫結(jié)構(gòu)中引發(fā)劑進行雙光子激發(fā)使其產(chǎn)生熒光的激發(fā)光路；熒光成像探測光路；

15、所述引發(fā)光刻膠產(chǎn)生雙光子聚合的激發(fā)光路依次設(shè)置有激光器、光隔離器、脈沖預(yù)壓縮模塊、聲光調(diào)制器、第一物鏡、針孔、第一透鏡、二向色鏡、掃描振鏡、掃描透鏡、第一反射鏡、場鏡、第二物鏡、高精度壓電位移臺、樣品架、基底、含引發(fā)劑的光刻膠樣品；

16、所述引發(fā)劑的熒光激發(fā)光路與光刻膠聚合激發(fā)光路為同一光路；

17、所述熒光成像探測光路依次設(shè)置有含引發(fā)劑的光刻膠樣品、基底、樣品架、高精度壓電位移臺、第二物鏡、場鏡、第一反射鏡、掃描透鏡、掃描振鏡、二向色鏡、第二反射鏡、濾光片、第二透鏡、多模光纖、雪崩二極管光電探測器；

18、還包括計算機，連接有聲光調(diào)制器、掃描振鏡、高精度壓電位移臺以及雪崩二極管光電探測器。

19、作為優(yōu)選的，激光器為飛秒激光器，用于激發(fā)光刻膠產(chǎn)生雙光子聚合，同時也用于引發(fā)劑的雙光子激發(fā)產(chǎn)生熒光；

20、作為優(yōu)選的，激光器的波長在500nm-800nm之間；

21、作為優(yōu)選的，所述二向色鏡為長通型二向色鏡；

22、作為優(yōu)選的，多模光纖直徑選擇經(jīng)過系統(tǒng)放大后1個艾里斑直徑大小尺寸；

23、作為優(yōu)選的，掃描振鏡、掃描透鏡、場鏡以及第二物鏡入瞳處形成4f系統(tǒng)；

24、作為優(yōu)選的，所述基底可以為蓋玻片、石英、藍寶石等透明材質(zhì)，或硅片等非透明材質(zhì)。

25、應(yīng)用本發(fā)明基于雙光子吸收效應(yīng)的成像裝置進行超分辨刻寫與成像的工作過程，具體包括如下步驟：

26、（1）飛秒激光器發(fā)出的激光作為引發(fā)光刻膠產(chǎn)生雙光子聚合的激發(fā)光，所述激發(fā)光經(jīng)過光隔離器，防止激光反回到激光器中，所述激光再經(jīng)過脈沖預(yù)壓縮模塊，用于壓縮飛秒激光脈沖，以補償后續(xù)光學元件對飛秒激光脈沖的色散展寬，所述補償色散后的激光再經(jīng)過聲光調(diào)制器對其進行強度與開關(guān)控制，然后經(jīng)過第一物鏡進行匯聚，再經(jīng)過針孔進行空間濾波，濾除前序光學元件對光斑質(zhì)量造成的影響，所述針孔位于第一物鏡焦面處，所述濾波后的光束再經(jīng)過第一透鏡進行準直并擴束，以保證其擴束后光束直徑能充滿最后油浸的第二物鏡的入瞳，然后經(jīng)過二向色鏡反射進入掃描振鏡對光束進行掃描，掃描光束再經(jīng)過掃描透鏡匯聚，所述掃描振鏡位于掃描透鏡前焦面處，以使其經(jīng)過掃描透鏡后產(chǎn)生掃描不動點，后經(jīng)由第一反射鏡反射進入到場鏡，所述場鏡將光束準直成平行光入射到第二物鏡，然后再經(jīng)過第二物鏡聚焦成匯聚光入射到配置有含引發(fā)劑的光刻膠樣品上等待進行刻寫；

27、（2）所述刻寫的模式分為兩種，第一種為在第二物鏡上方滴上油，并在第二物鏡上方放置基底（蓋玻片、石英等透明基底），再將基底放置在樣品架上，樣品架放置在高精度壓電位移臺上，在所述基底滴上含引發(fā)劑的光刻膠樣品，光斑匯聚到基底上表面往上進行刻寫；第二種為浸沒式刻寫模式，即在所述第二物鏡上方滴光刻膠，將所述匯聚光聚焦在基底（蓋玻片、石英等透明基底，或硅片等非透明基底）下表面，往下進行刻寫；

28、（3）通過計算機調(diào)控聲光調(diào)制器，實現(xiàn)激光的開關(guān)和光強調(diào)控，并通過計算機控制掃描振鏡以及高精度壓電位移臺的掃描和移動，實現(xiàn)高精度微納結(jié)構(gòu)的雙光子刻寫；

29、（4）將刻寫完的微納結(jié)構(gòu)完成顯影工藝，然后再將其放回到高精度壓電位移臺上等待進行雙光子超分辨顯微成像；

30、（5）所述雙光子超分辨顯微成像過程中用到的激發(fā)光路與實現(xiàn)高精度刻寫所用的光路為同一光路；

31、（6）所述進行超分辨顯微成像的過程也包括兩種模式：第一種為經(jīng)過第二物鏡聚焦的匯聚光束經(jīng)過第二物鏡上方的油，再透過基底（蓋玻片等透明基底），匯聚到滴有油的基底上表面的刻寫結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)雙光子激發(fā)；第二種模式為在第二物鏡上方滴油，并把刻有結(jié)構(gòu)的基底（透鏡或非透鏡基底）朝下放置在第二物鏡上方，經(jīng)過第二物鏡匯聚的匯聚光匯聚在基底下表面的刻寫結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)雙光子激發(fā)；

32、（7）所述刻寫結(jié)構(gòu)中引發(fā)劑所發(fā)出的熒光經(jīng)過第二物鏡接收后，再經(jīng)過場鏡匯聚，再由第一反射鏡反射，然后經(jīng)過掃描透鏡，并經(jīng)過掃描振鏡實現(xiàn)解掃描，再經(jīng)過二向色鏡透射，然后經(jīng)過第二反射鏡反射，再經(jīng)過濾光片濾除激光以及環(huán)境等因素造成的雜散光，再經(jīng)過第二透鏡匯聚，匯聚光然后經(jīng)過多模光纖接收并傳輸，最后由雪崩二極管光電探測器對熒光信號進行探測；

33、（8）所述計算機輸出控制信號控制聲光調(diào)制器調(diào)控引發(fā)劑激發(fā)光光強和開關(guān)，并控制掃描振鏡掃描光束，并對接收的熒光信號進行數(shù)據(jù)處理與傳輸，實現(xiàn)刻寫結(jié)構(gòu)的雙光子超分辨顯微成像。

34、本發(fā)明在光刻膠中加入光引發(fā)劑，利用其雙光子吸收效應(yīng)，可以實現(xiàn)雙光子高精度激光直寫；同時，利用其本身的熒光發(fā)光特性，特別的利用其雙光子吸收效應(yīng)，可以進行雙光子超分辨顯微成像。本發(fā)明利用引發(fā)劑中的雙光子吸收聚合特性以及雙光子激發(fā)發(fā)光的特性，可同時實現(xiàn)超分辨刻寫與成像，相比于在光刻膠中額外摻雜熒光染料進行超分辨顯微成像的方式，本發(fā)明簡化了光刻膠的成分。此外，本發(fā)明可在刻寫與成像中同時利用同一束激發(fā)光，因而可以在同一個光學系統(tǒng)中同時實現(xiàn)高精度刻寫與超分辨成像，通過刻寫與成像的激發(fā)光光路進行復(fù)用，可有效簡化系統(tǒng)復(fù)雜性。

35、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果：

36、（1）利用光刻膠中的光引發(fā)劑，在實現(xiàn)雙光子高精度納米結(jié)構(gòu)刻寫的同時，利用其雙光子激發(fā)的熒光特性，實現(xiàn)雙光子超分辨光學顯微成像，無需在光刻膠中摻雜染料，簡化了光刻膠的成分復(fù)雜性，減小了摻雜對光刻膠化學性能的影響；

37、（2）刻寫過程中刻寫用的雙光子聚合激發(fā)光和引發(fā)劑成像用的雙光子激發(fā)光為同一路激光，實現(xiàn)刻寫與成像激發(fā)光路的復(fù)用，簡化了系統(tǒng)，使系統(tǒng)更加緊湊簡單。