生成薄而宽的准无衍射激光光片的光瞳掩模优化设计方法

近日，中国科学院深圳先进技术研究院光电工程技术中心正高级工程师李剑平团队在Optics Letters上，发表了题为Quasi-non-diffracting static light sheets generated by holistically optimized pupil masks的论文，报道了一种生成薄而宽的准无衍射激光光片的光瞳掩模优化设计方法。

光片荧光显微术（light sheet microscopy）是活体生物成像的一场革命。通过将激发激光限制于显微物镜景深范围附近的光片薄层，既可以减少显微成像的离焦模糊，又可以减少光漂白和光毒性，提高了图像的清晰度，延长了生物样品的观测时间。逐层扫描样品或光片可形成三维图像；使用面阵数字相机的上百万个像素对焦平面中的目标断层进行并行采样，具有极高的采样速度；结合流式进样方法还可以实现高通量流式显微成像。光片荧光显微术具有高清、无损、三维、快速等特点，因而是表征活体细胞、组织、胚胎和器官的理想手段。

然而，光片显微术的成像性能受限于光片的光学属性，其成像分辨率受限于光片的厚度，成像视场受限于光片的宽度。而光片的厚度和宽度因光波固有的衍射属性相互制衡。薄光片支持高分辨率，但衍射发散快、有效宽度窄，限制了成像视场；厚光片衍射发散慢，支持大视场成像，但限制了分辨率。光的衍射属性导致成像分辨率和视场构成一对天然矛盾，限制了光片显微成像中生物个体的大小及表征通量。高分辨率大视场显微成像需要薄而宽的光片，这种光片具有无衍射性质。无衍射光片必然伴有旁瓣，旁瓣对成像构成离焦背景噪音。因而基于无衍射光片的显微荧光成像需控制旁瓣的影响。

针对这一问题，科研团队提出了一种数值优化方法，可用来设计一种叫作光瞳掩膜的衍射光学器件，以生成薄而宽的光片。该衍射光学器件通过调制振幅或相位，可以调控光片的厚度、宽度和旁瓣，从而突破高斯光束传播规律的限制，在仅使用廉价的柱透镜和掩模板的基础上便实现了薄而宽的光片。该方法巧妙提出了一个光片质量的全局评价因子，用以表征光片厚度、无衍射范围和旁瓣之间的制衡关系。理论和实验表明，优化后的掩模可将静态光片无衍射范围扩大50%，同时使其旁瓣低于20%。据此生成的新型静态光片可以在不牺牲轴向分辨率的前提下，对样品实现更大视野成像。

图1.用于生成准无衍射光片的光瞳掩膜及其使用方法示意

图2.设计制备的相位光瞳掩膜在实验中实测的光片宽度厚度结果

研究工作得到中国博士后科学基金、中科院和深圳市科技创新委员会重点项目的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1364/OL.454833