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與受激輻射損耗效應(yīng)的超分辨激光直寫與成像方法和裝置。

背景技術(shù)：

1、隨著飛秒激光器的發(fā)明，材料中的非線性特性被相繼發(fā)現(xiàn)并得以利用。近年來，基于飛秒脈沖激光引發(fā)的光與物質(zhì)的非線性相互作用的微納結(jié)構(gòu)加工取得了長足進步，并在科學(xué)、技術(shù)以及各產(chǎn)業(yè)中展現(xiàn)光明的前景。在激光直寫中，相比于傳統(tǒng)的單光子吸收引發(fā)的聚合作用，利用材料的雙光子或多光子特性，可以將刻寫分辨率提升至亞百納米量級，并使其具有任意三維結(jié)構(gòu)的加工能力。然而欲突破亞五十納米量級的刻寫分辨率，僅利用雙光子效應(yīng)還不足以實現(xiàn)。近年來，受到sted超分辨顯微成像的啟發(fā)，在所配備的光刻膠中加入某種光引發(fā)劑，如detc，itx等，并在刻寫激發(fā)光邊緣再引入另一束光作為抑制光，消除光刻膠邊緣由雙光子激發(fā)光所引發(fā)的聚合效應(yīng)，可以將分辨率進一步提升至亞五十納米，并有效減小刻寫的臨界效應(yīng)。

2、為了對刻寫的高精度結(jié)構(gòu)進行表征，傳統(tǒng)的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。此外，在光刻膠材料中加入特定染料進行標記實現(xiàn)光學(xué)超分辨成像亦有報道，但是加入染料難免對光刻膠本身的化學(xué)特性產(chǎn)生不可測度的影響，進而影響刻寫質(zhì)量。為了解決上述問題，本發(fā)明僅利用光刻膠中所加入的用于引發(fā)刻寫聚合的光引發(fā)劑的熒光發(fā)光特性，特別的，利用其雙光子吸收特性以及受激輻射損耗特性，通過橫向和軸向光斑調(diào)控損耗結(jié)構(gòu)邊緣的發(fā)光情況，可以實現(xiàn)橫向與軸向的三維超分辨成像。

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，也是對現(xiàn)有技術(shù)的一項擴充，提供了一種基于雙光子與受激輻射損耗效應(yīng)的超分辨激光直寫與成像方法和裝置。

2、本發(fā)明利用光刻膠中引發(fā)劑的雙光子與受激損耗效應(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，并在激發(fā)光邊緣引入一束空心抑制光，抑制邊緣聚合，從而實現(xiàn)高精度微納結(jié)構(gòu)的超分辨激光直寫；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，在激發(fā)光產(chǎn)生雙光子激發(fā)的邊緣，引入一束空心損耗光，損耗邊緣雙光子激發(fā)所產(chǎn)生的熒光，從而實現(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)生雙光子聚合的激發(fā)光和抑制其聚合的抑制光與用于成像中產(chǎn)生雙光子激發(fā)的激發(fā)光與損耗其發(fā)光的損耗光可以分別為相同的光束，因此可在一個光學(xué)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)光和損耗光光路進行復(fù)用，可有效簡化系統(tǒng)復(fù)雜性。

3、本發(fā)明的的第一個方面涉及基于雙光子與受激輻射損耗效應(yīng)的超分辨激光直寫與成像方法，包括如下步驟：

4、（1）制備光刻膠：在光刻膠單體中加入光引發(fā)劑；

5、（2）基于雙光子與受激輻射損耗效應(yīng)的激光直寫：將兩束激光經(jīng)過物鏡聚焦在光刻膠上，其中一束為激發(fā)光，形成實心光斑，引發(fā)光刻膠產(chǎn)生雙光子聚合，另一束為抑制光，形成空心光斑，抑制光刻膠聚合，通過將激發(fā)實心光光斑與抑制空心光斑中心重合，可實現(xiàn)高精度微納結(jié)構(gòu)的超分辨激光直寫；

6、（3）顯影：將刻寫完的結(jié)構(gòu)進行顯影并風干操作；

7、（4）基于雙光子與受激輻射損耗效應(yīng)的雙光子sted超分辨顯微成像：將所述風干的刻寫結(jié)構(gòu)放回到樣品臺上，將兩束激光經(jīng)過物鏡聚焦在樣品上，一束為激發(fā)光，形成實心光斑，激發(fā)引發(fā)劑產(chǎn)生雙光子效應(yīng)發(fā)出熒光，另一束為損耗光，形成空心光斑，損耗結(jié)構(gòu)邊緣所產(chǎn)生的熒光，通過將激發(fā)光與損耗光中心重合，可以實現(xiàn)刻寫結(jié)構(gòu)的雙光子sted超分辨顯微成像；

8、作為優(yōu)選的，所述刻寫過程可以采用兩種模式：激發(fā)光和抑制光經(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；

9、作為優(yōu)選的，所述成像過程可以采用兩種模式：激發(fā)光和損耗光經(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sted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sted成像；

10、作為優(yōu)選的，引發(fā)劑可以為7-二乙基氨-3-（2-噻吩基）香豆素（detc）等發(fā)光效率較高的材料；

11、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%。

12、本發(fā)明的第二個方面涉及實施本發(fā)明的一種基于雙光子與受激損耗效應(yīng)的激光直寫與成像方法的裝置，包括用于引發(fā)光刻膠產(chǎn)生雙光子聚合的激發(fā)光路；用于抑制光刻膠聚合的抑制光路；刻寫的激發(fā)光路與抑制光路的合束光路；用于對刻寫結(jié)構(gòu)中引發(fā)劑進行雙光子激發(fā)產(chǎn)生熒光的激發(fā)光路；用于損耗引發(fā)劑產(chǎn)生熒光的損耗光路；成像的激發(fā)光路和損耗光路的合束光路；熒光成像探測光路；對刻寫結(jié)構(gòu)進行雙光子sted超分辨顯微成像的高精度壓電三維位移臺；用于雙光子sted超分辨顯微成像的激發(fā)光路和損耗光路；

13、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)置有第一激光器、脈沖預(yù)壓縮模塊、第一聲光調(diào)制器、第一物鏡、第一針孔、第一透鏡、第一二分之一波片；

14、所述抑制光刻膠產(chǎn)生雙光子聚合的抑制光路依次設(shè)置有第二激光器、第二聲光調(diào)制器、第二物鏡、第二針孔、第二透鏡、第一反射鏡、第二二分之一波片；

15、所述刻寫激發(fā)光和抑制光的合束光路依次設(shè)置有偏振分束鏡、第三二分之一波片、空間光調(diào)制器、第四二分之一波片、四分之一波片、二向色鏡、掃描振鏡、掃描透鏡、第二反射鏡、場鏡、第三物鏡、高精度壓電三維位移臺、樣品架、基底、含引發(fā)劑的光刻膠樣品；

16、所述成像的激發(fā)光光路和損耗光光路與刻寫的激發(fā)光路和抑制光路分別為同一光路；

17、所述成像的激發(fā)光路和損耗光路的合束光路與刻寫的激發(fā)光光路和抑制光路的合束光路為同一光路；

18、所述熒光成像探測光路依次設(shè)置有刻寫樣品、基底、樣品架、高精度壓電三維位移臺、第三物鏡、場鏡、第二反射鏡、掃描透鏡、掃描振鏡、二向色鏡、第三反射鏡、濾光片、第三透鏡、多模光纖、雪崩二極管光電探測器；

19、還包括計算機，連接有第一聲光調(diào)制器、第二聲光調(diào)制器、空間光調(diào)制器、掃描振鏡、高精度壓電三維位移臺以及雪崩二極管光電探測器；

20、第一激光器發(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)過色散預(yù)補償模塊，用于壓縮飛秒激光脈沖，以補償后續(xù)光學(xué)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)過第一聲光調(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)過第一針孔進行空間濾波，濾除前序光學(xué)元件對光斑質(zhì)量造成的影響，所述第一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三物鏡的入瞳，所述擴束激光再經(jīng)過第一二分之一波片，以調(diào)整其線偏振方向為垂直偏振；

21、第二激光器發(fā)出的激光作為抑制光刻膠聚合的抑制光，所述抑制光經(jīng)過第二聲光調(diào)制器對其進行強度與開關(guān)控制，然后經(jīng)過第二物鏡進行匯聚，再經(jīng)過第二針孔進行空間濾波，濾除前序光學(xué)元件對光斑質(zhì)量造成的影響，所述第二針孔位于第二物鏡焦面處，所述濾波后的光束再經(jīng)過第二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三物鏡的入瞳，所述擴束的抑制光再經(jīng)過第一反射鏡反射，然后經(jīng)過第二二分之一波片，以調(diào)整其偏振方向為水平偏振；

22、所述激發(fā)光經(jīng)過偏振合束器進行反射，抑制光經(jīng)過偏振合束器進行透射，實現(xiàn)激發(fā)光與抑制光的合束，所述合束光經(jīng)過第三二分之一波片，再經(jīng)過空間光調(diào)制器，改變第三二分之一波片的快慢軸，調(diào)整抑制光的偏振方向與空間光調(diào)制器的偏振方向一致，所述空間光調(diào)制器分為左右屏，左屏加載相應(yīng)相位調(diào)制激發(fā)光為實心光并調(diào)整光斑像差為最小，右屏加載相應(yīng)相位以調(diào)制抑制光為空心光，或配合調(diào)節(jié)第三二分之一波片快慢軸方向，左右屏反過來調(diào)節(jié)光斑，即左屏調(diào)節(jié)抑制光為空心光，右屏調(diào)節(jié)激發(fā)光為實心光，所述調(diào)制后的光束經(jīng)過第四二分之一波片和四分之一波片，以使抑制光最后經(jīng)過第三物鏡后為中心暗到底的空心光斑，然后再經(jīng)過二向色鏡反射進入掃描振鏡對激發(fā)光和抑制光進行掃描，然后經(jīng)過掃描透鏡，再經(jīng)過第二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三物鏡，然后再經(jīng)過第三物鏡聚焦成匯聚光入射到配置有引發(fā)劑的光刻膠上等待進行刻寫，其中激發(fā)光在樣品面為實心光斑，抑制光為套在激發(fā)光邊緣的橫向分布或軸向分布的空心光；

23、計算機調(diào)控第一光調(diào)制器和第二聲光調(diào)制器，對激光的開關(guān)和光強調(diào)控，并控制掃描振鏡以及高精度壓電三維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sted刻寫。

24、所述雙光子sted超分辨顯微成像過程中用到的激發(fā)光路和損耗光路與實現(xiàn)高精度刻寫所用的激發(fā)光路和抑制光路分別為同一光路；

25、所述刻寫結(jié)構(gòu)中引發(fā)劑所發(fā)出的熒光經(jīng)過第三物鏡接收后，再經(jīng)過場鏡匯聚，再由第二反射鏡反射，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)過第三反射鏡反射，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)過第三透鏡匯聚，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；

26、所述計算機控制第一聲光調(diào)制器和第二聲光調(diào)制器調(diào)控引發(fā)劑激發(fā)光光強和開關(guān)，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sted超分辨顯微成像。

27、作為優(yōu)選的，第一激光器為飛秒激光器；

28、作為優(yōu)選的，第一激光器的波長可在500nm-800nm之間；

29、作為優(yōu)選的，第二激光器可為連續(xù)光激光器，或為ps或ns激光器；

30、作為優(yōu)選的，第二激光器波長可為532nm；

31、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；

32、作為優(yōu)選的，掃描振鏡、掃描透鏡、場鏡以及第三物鏡入瞳處形成4f系統(tǒng)；

33、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)。

34、本發(fā)明的第三個方面涉及應(yīng)用本發(fā)明的裝置進行超分辨刻寫與成像的方法，具體包括如下步驟：

35、（1）第一激光器發(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)過色散預(yù)補償模塊，用于壓縮飛秒激光脈沖，以補償后續(xù)光學(xué)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)過第一聲光調(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)過第一針孔進行空間濾波，濾除前序光學(xué)元件對光斑質(zhì)量造成的影響，所述第一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三物鏡的入瞳，所述擴束激光再經(jīng)過第一二分之一波片，以調(diào)整其線偏振方向為垂直偏振；

36、（2）第二激光器發(fā)出的激光作為抑制光刻膠聚合的抑制光，所述抑制光經(jīng)過第二聲光調(diào)制器對其進行強度與開關(guān)控制，然后經(jīng)過第二物鏡進行匯聚，再經(jīng)過第二針孔進行空間濾波，濾除前序光學(xué)元件對光斑質(zhì)量造成的影響，所述第二針孔位于第二物鏡焦面處，所述濾波后的光束再經(jīng)過第二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三物鏡的入瞳，所述擴束的抑制光再經(jīng)過第一反射鏡反射，然后經(jīng)過第二二分之一波片，以調(diào)整其偏振方向為水平偏振；

37、（3）所述激發(fā)光經(jīng)過偏振合束器進行反射，抑制光經(jīng)過偏振合束器進行透射，實現(xiàn)激發(fā)光與抑制光的合束，所述合束光經(jīng)過第三二分之一波片，再經(jīng)過空間光調(diào)制器，改變第三二分之一波片的快慢軸，調(diào)整抑制光的偏振方向與空間光調(diào)制器的偏振方向一致，所述空間光調(diào)制器分為左右屏，左屏加載相應(yīng)相位調(diào)制激發(fā)光為實心光并調(diào)整光斑像差為最小，右屏加載相應(yīng)相位以調(diào)制抑制光為空心光，（或配合調(diào)節(jié)第三二分之一波片快慢軸方向，左右屏反過來調(diào)節(jié)光斑，即左屏調(diào)節(jié)抑制光為空心光，右屏調(diào)節(jié)激發(fā)光為實心光），所述調(diào)制后的光束經(jīng)過第四二分之一波片和四分之一波片，以使抑制光最后經(jīng)過第三物鏡后為中心暗到底的空心光斑，然后再經(jīng)過二向色鏡反射進入掃描振鏡對激發(fā)光和抑制光進行掃描，然后經(jīng)過掃描透鏡，再經(jīng)過第二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三物鏡，然后再經(jīng)過第三物鏡聚焦成匯聚光入射到配置有引發(fā)劑的光刻膠上等待進行刻寫，其中激發(fā)光在樣品面為實心光斑，抑制光為套在激發(fā)光邊緣的橫向分布或軸向分布的空心光；

38、（4）所述刻寫的模式分為兩種，第一種為在第三物鏡上方滴上油，并在第三物鏡上方放置基底（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三維位移臺上，在所述基底滴上光刻膠，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，即在所述第三物鏡上方滴光刻膠，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；

39、（5）通過計算機調(diào)控第一光調(diào)制器和第二聲光調(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三維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sted刻寫；

40、（6）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三維位移臺上等待對刻寫結(jié)構(gòu)進行雙光子sted超分辨顯微成像；

41、（7）所述雙光子sted超分辨顯微成像過程中用到的激發(fā)光路和損耗光路與實現(xiàn)高精度刻寫所用的激發(fā)光路和抑制光路分別為同一光路；

42、（8）所述進行雙光子sted超分辨顯微成像的過程也包括兩種模式：第一種為經(jīng)過第三物鏡聚焦的激發(fā)光和損耗經(jīng)過第三物鏡上方的油，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)刻寫結(jié)構(gòu)中引發(fā)劑的雙光子激發(fā)和sted損耗；第二種模式為在第三物鏡上方滴油，并把刻有結(jié)構(gòu)的基底（透鏡或非透鏡基底）朝下放置在第三物鏡上方，經(jīng)過第三物鏡聚焦的激發(fā)光和損耗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)和sted損耗；

43、（9）所述刻寫結(jié)構(gòu)中引發(fā)劑所發(fā)出的熒光經(jīng)過第三物鏡接收后，再經(jīng)過場鏡匯聚，再由第二反射鏡反射，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)過第三反射鏡反射，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)過第三透鏡匯聚，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；

44、（10）所述計算機輸出控制信號控制第一聲光調(diào)制器和第二聲光調(diào)制器調(diào)控引發(fā)劑激發(fā)光光強和開關(guān)，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sted超分辨顯微成像。

45、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)與受激損耗效應(yīng)，可以實現(xiàn)雙光子sted高精度微納結(jié)構(gòu)激光直寫；同時，利用其本身的熒光發(fā)光特性，進一步地利用其雙光子吸收特性和受激損耗（sted）特性，可以對所刻寫的結(jié)構(gòu)進行雙光子sted超分辨顯微成像。本發(fā)明利用引發(fā)劑的雙光子與sted效應(yīng)，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，在刻寫與成像中可分別利用相同的激發(fā)光與損耗光，因此可在一個光學(xué)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)光和損耗光光路進行復(fù)用，可有效簡化系統(tǒng)復(fù)雜性。

46、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：

47、（1）利用光刻膠中的光引發(fā)劑，在實現(xiàn)雙光子sted高精度納米結(jié)構(gòu)刻寫的同時，可以利用其熒光發(fā)光特性，特別的利用其雙光子激發(fā)和受激輻射損耗特性，實現(xiàn)對刻寫結(jié)構(gòu)的雙光子sted超分辨光學(xué)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(xué)性能的影響；

48、（2）成像過程所用的雙光子激發(fā)和損耗光與刻寫用的雙光子聚合激發(fā)光與抑制光分別為相同的光路，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。