利用金属光栅的塔尔博特效应（Talbot effect）进行结构光显微镜成像

《Optics & Laser Technology》：Structured illumination microscopy with Talbot effect through metal gratings

首次提出基于非近轴泰勒场的光学结构照明显微术，通过设计金属光栅产生具有纵向自修复特性的泰勒场，实现15μm深探测与72nm分辨率，突破衍射极限三倍。

　　

黄明|姜凯文|沈哲

南京理工大学电子光学工程学院，中国南京210094

摘要

在结构光显微镜（SIM）中，提高检测深度和成像分辨率是一个研究热点。本文首次提出了一种利用非傍轴塔尔博场作为结构光的方法。这种塔尔博场由金属光栅产生，其周期是非整数或入射波长λ的整数倍，能够实现自重构的纵向传播。由于具有亚波长空间调制特性，该方法能够提升分辨率。我们分析了两种不同塔尔博场在纵向传播过程中的光学特性和成像分辨率。实验结果表明，这些光场在15微米深度内保持高强度稳定性和优异的对比度，同时实现了超出衍射极限的分辨率。其中，非整数周期光栅将光场检测深度扩展到了20微米，而整数周期光栅则将光场条纹周期压缩至接近λ/2——后者实现了72纳米的分辨率，是衍射极限的3倍。即使受到遮挡，这两种类型的塔尔博场在传播过程中仍表现出自修复特性，适用于SIM应用。凭借其深度检测能力、高分辨率和强鲁棒性，这种方法有望解决生物医学成像中的关键问题。

引言

克服光学衍射极限可以实现对细胞细微结构和动态过程的高分辨率观测。因此，出现了多种超分辨率显微镜技术，例如近场扫描光学显微镜（NSOM）[1,2]、受激发射损耗显微镜（STED）[3,4]、结构光显微镜（SIM）[5,6]、单分子定位显微镜（SMLM）[7,8]、光学远场超透镜[9,10]等。在活细胞研究领域，SIM已成为一种广泛使用的工具，能够快速获取高分辨率图像，并且具有宽视野和低光毒性。SIM基于莫尔效应，利用特殊调制的光场照射目标并从中提取高频信号，从而获得超分辨率图像。

在SIM中，结构光场的特性显著影响显微镜系统的成像性能。目前主流方法依赖于可编程电光器件，如空间光调制器（SLM）[11,12]和数字微镜装置（DMD）[13,14]，它们通过光束干涉生成结构光场。这些光场具有有效的纵向穿透深度。然而，受光学系统截止频率的限制，这些结构光场的空间频率使得SIM的分辨率仅能相对于阿贝极限提高两倍。

突破分辨率的技术，如全内反射荧光SIM（TIRF-SIM）[12,15,16]和等离子体结构光显微镜（PSIM）[17,18,19]，利用位于样品表面的结构光场进行成像，实现了超出衍射极限3-4倍的分辨率。这些近场现象，包括衰减波和表面等离子体极化子（SPPs），在空间频率上超过了光学截止频率，从而实现了高对比度和信噪比（SNR）。然而，这一优势受到检测深度浅的限制，因为场强在距离表面约200纳米内呈指数衰减。双光子非线性结构光显微镜（2P-NLSIM）结合了SIM的超分辨率能力和荧光的非线性效应，实现了超分辨率的同时提供了微米级的穿透深度[20]。然而，这种方法通常依赖于精确的点扫描技术来生成结构光场图案，导致成像时间较长。

在本文中，我们旨在通过使用塔尔博场作为SIM的照明源来实现高分辨率成像和较大的穿透深度。金属光栅产生的塔尔博场具有自重构的纵向传播特性，有望延长检测深度。我们研究了周期为入射波长λ的非整数倍或整数倍的光栅所产生的塔尔博场的分布。此外，我们还研究了这两种塔尔博场在纵向传播过程中的光场强度、对比度和高频强度，以评估其用于高分辨率成像的潜力。我们使用量子点（QD）图案和非稀疏汇聚条纹图案对这些塔尔博场的成像性能进行了表征。由于塔尔博场的自修复特性，这项工作为活细胞内部微结构的高分辨率观测提供了一种方法。

方法与理论

我们的工作基于SIM的基本原理，通过实施塔尔博场照明系统来实现超分辨率成像。图1显示了照明模块的光学配置，其中TM偏振光以精确定义的角度照射到金属光栅上。光栅结构由SiO₂基底上的金层组成，其出色的环境稳定性和不透明度确保了长期性能的一致性。

不同光栅周期下的塔尔博效应

我们使用有限差分时域（FDTD）方法模拟了具有不同周期参数的光栅中的光场分布。在计算模型中，我们在x和y方向上采用了周期性边界条件。这种配置相当于具有无限多狭缝的光栅，更准确地模拟了实际制造的光栅（通常包含数千个周期）。

结论

总结来说，我们首次提出了一种利用非傍轴塔尔博场作为结构光的SIM方法。通过使用精心设计的金属光栅生成具有纵向自修复特性的塔尔博场，我们实现了15微米的纵向检测深度和72纳米的分辨率。使用532纳米波长的光源，我们系统地分析了非整数倍光栅（Λ

CRediT作者贡献声明

黄明：撰写——原始草稿，研究，正式分析。姜凯文：方法论。沈哲：撰写——审稿与编辑，监督，概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（62275122、61805119）、江苏省自然科学基金（BK20180469、BK20180468）以及中央高校基本科研业务费（30919011275）的支持。