采用柔性光栅的双波长激光多线扫描显微镜系统

《Optics & Laser Technology》：Dual-wavelength-laser multi-line scanning microscope system using a flexible grating

提出基于柔性光栅的1064nm和1550nm激光多线扫描显微镜系统，通过机械拉伸实现扫描功能，Zemax仿真验证照明光路MTF分别为616 lp/mm和424 lp/mm，发射光路为569和373 lp/mm，柔性材料与RCWA理论分析证实光栅参数（周期3 lp/mm，占空比0.5，沟深475.12 μm）的可行性，系统适用于表面检测、工业检验及荧光成像扩展。

　　

付彦伟|马万卓|郝世坤|李冰|刘志|姜惠琳

中国长春市，长春科技大学光电工程学院

摘要

我们提出了一种基于柔性光栅的1064纳米和1550纳米激光线扫描显微镜系统，该系统通过机械拉伸柔性光栅来实现扫描功能。使用Zemax软件通过模拟照明光路和发射光路来验证系统的可行性。在照明光路中，扫描区域为33.4微米×49.1微米，1064纳米和1550纳米照明下的调制传递函数（MTF）分别超过0.1，分别为616 lp/mm和424 lp/mm。在发射光路中，1064纳米和1550纳米照明下的MTF分别为569 lp/mm和373 lp/mm。为了进一步验证系统的可行性，我们分析了柔性材料作为光栅的适用性，并使用严格的耦合波分析（RCWA）理论分析了影响衍射效率的因素。确定了一种周期为3 lp/mm、占空比为0.5、槽深为475.12微米的柔性光栅适用于该线扫描显微镜系统，并从制备过程的角度验证了其制造可行性。此外，我们还分析了柔性光栅在机械拉伸下的制造可行性和性能稳定性。该系统适用于反射成像、工业检测和材料表面检测，并具有扩展到荧光成像应用的潜力。

引言

光学显微镜系统在医学、生物学和电子学等多个领域变得越来越普遍。然而，传统光学显微镜受到光波长的限制，这从根本上限制了分辨率，阻碍了我们探索更微观结构的能力[1]。与传统光学显微镜相比，激光扫描显微镜具有非接触操作、高精度、高分辨率、快速扫描和宽扫描范围等优点[2]、[3]、[4]。因此，它们在生物学、医学和工业检测等领域得到了广泛应用[5]、[6]、[7]、[8]。点扫描是通过逐点移动激光斑点来捕捉物镜焦域内的细节。相比之下，线扫描提供了更大的照明区域和更高的扫描速度。近年来，单线扫描显微镜主要采用了振镜扫描系统，并通过结合其他设备[9]、[10]或算法[11]、[12]、[13]来提高分辨率。然而，由于振镜的振荡速率有限，单线/点扫描的速度难以进一步提高。因此，最近的研究集中在多束扫描显微镜上。在多点扫描显微镜中，多束光主要由衍射光栅产生，通过控制平移台的运动来实现多点扫描[14]、[15]、[16]。在线扫描显微镜中，通常使用数字微镜装置（DMD）来生成多线图案，而扫描则是通过电动台、振镜或改变DMD图案来实现的。2020年，Wang等人提出了一种使用DMD的数字线扫描荧光显微镜（DLSFM），通过控制电动台和DMD实现了扫描，其分辨率比宽场显微镜高出1.19倍以上[17]。2021年，Weng等人使用DMD实现了多线条纹的生成和扫描，扫描范围为54微米×54微米[18]。2024年，刘等人设计了一种多焦点线扫描双光子显微镜。该系统利用DMD通过二元全息技术在平面上生成随机分布的焦点阵列，并使用振镜在该平面的垂直方向上进行扫描，实现了77×120×40微米的体积图像[19]。然而，电动台和振镜不仅成本高昂且维护复杂，而且惯性大且动态性能差。DMD的光学效率较低，其操作需要复杂的硬件和软件。这些因素共同限制了多线扫描显微镜的性能。由柔性聚合物材料制成的柔性光栅具有紧凑、轻便、低成本、高透射率和优异的延展性[20]、[21]、[22]，在生物医学、化学和传感器等领域具有广泛的应用前景[23]、[24]、[25]、[26]。由于柔性光栅保留了传统光栅的光学特性，因此可以用于实现多线扫描显微镜。在我们之前的工作中，我们提出了一种基于柔性光栅的1550纳米激光线扫描显微镜[27]，但其空间分辨率不够理想，需要进一步改进。

在这项工作中，我们提出了一种使用柔性光栅的1064纳米和1550纳米激光多线扫描显微镜系统，通过拉伸柔性光栅来实现第0级和±1级衍射条纹的样品表面扫描。为了验证系统的理论可行性，我们首先分析了影响基于柔性光栅的线扫描系统扫描区域的因素。随后，我们设计了一个物镜，并使用Zemax软件模拟了照明和发射光路，其中包含了市面上可购买镜头的参数。然后，我们分析了柔性材料作为光栅的适用性。此外，我们使用RCWA理论分析了影响衍射效率的因素，并计算了适用于该系统的柔性光栅的参数。最后，我们分析了柔性光栅的制造可行性和在机械拉伸下的性能稳定性。

基于柔性光栅的多束扫描原理

图1(a)显示了柔性光栅扫描机制的示意图。当一束准直光垂直入射到柔性光栅上时，会发生衍射，在观察屏上产生对称分布的衍射斑点。随着光栅的拉伸，其周期发生变化，导致衍射斑点移动，从而实现光束扫描。

在我们之前的工作中，我们建立了拉力F与衍射斑点变化Δs之间的关系。

系统设计与仿真设置

激光线扫描显微镜系统的示意图如图3所示。为了验证系统的可行性，Zemax仿真使用了除物镜7和物镜8之外的所有组件的商业镜头参数。最初，使用了一个消色差双透镜（AC050-008-C，Thorlabs）作为光纤准直器，然后通过2×光束扩展器（包括透镜1（LC5401，f = -75毫米，Thorlabs）和透镜2（LA5012，f = 150毫米，Thorlabs）。之后，光束被单向传输

显微镜物镜的设计

物镜是显微镜系统的关键组件，在成像质量中起着重要作用。为了纠正系统内的球面像差和其他像差，我们采用了由八个镜头组成的初始配置，详细参数见表1。规格包括入口瞳孔直径为4.2毫米，工作波长为1064纳米和1550纳米。表面13被定义为均匀球面，圆锥常数k = -0.65及更高阶

结论

我们提出了一种基于柔性光栅的激光线扫描显微镜系统，该系统在1064纳米和1550纳米下工作，通过机械拉伸柔性光栅来实现扫描功能。使用Zemax软件评估了系统的可行性，并使用商业镜头参数模拟了照明和发射光路。在1064纳米和1550纳米照明下的MTF分别为616 lp/mm和424 lp/mm。

CRediT作者贡献声明

付彦伟：撰写——原始草稿，软件开发，正式分析，数据管理，概念构思。马万卓：撰写——审阅与编辑，监督，项目管理，方法论，资金获取，概念构思。郝世坤：撰写——原始草稿，软件开发，正式分析，数据管理。李冰：验证，软件开发。刘志：监督，资金获取。姜惠琳：监督，项目管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了吉林省自然科学基金（20240101020JJ）的支持。