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高速变焦:可调光学系统

发布于:2020-11-22 被浏览:3793次

可调谐光学系统一直是三维生物医学成像、工业制造和高级光谱学的重要组成部分。设计可调谐光学系统的核心问题是如何快速控制光在三维空间的焦点位置.只有实现高速聚焦控制,才能在成像领域提高目标的三维检索速度,在激光加工领域提高加工成品率。

虽然目前可以使用反射镜和光学偏转器来控制X和Y方向的光,但基于光学元件或机械移动样品的传统方法对Z聚焦方向的控制速度比沿X和Y方向的控制速度快几个数量级。因此,有必要进一步提高可调谐光学系统在Z聚焦方向的控制速度,从而实现真正的三维快速可调谐光学系统。

最近,普林斯顿大学和来自Craig B. Arnold的其他人在Nature Photonics,出版了名为“用于快速聚焦控制的可变光学元件”的综述分析和介绍了实现亚毫秒和微秒响应时间的高速变焦光学元件的关键技术,回顾了该技术发展在相关技术领域中的应用,并讨论了该技术的重要发展前景。

一、高速变焦光学系统关键技术

目前,实现高速变焦光学系统的关键技术主要朝两个方向发展:正在提高材料的响应时间;二是应用新的调音技术。如表1所示,是基于不同工作原理的可调谐光学系统。本文详细介绍了三种最新技术:铁电液晶透镜、可调声梯度透镜和自适应光学技术。

资料来源:自然光子学,2020,14 (9) : 533-542。表1

(1)铁电液晶透镜

液晶(LC)透镜通过改变外加电场的形式,可以产生光学各向异性和介电各向异性,从而获得可调谐的折射率。利用这一特性,可以通过使用具有曲面的液晶或通过使用具有图案化电极的轴对称非均匀电场来控制焦距。

图1向列液晶和铁电液晶示意图

资料来源:自然光子学,2020,14 (9) : 533-542。图1 (b)

虽然向列液晶透镜的传统驱动方法响应时间较慢,约为几十到几百毫秒,不足以达到高速变焦的效果,但研究人员发现,使用铁电液晶透镜可以实现高速变焦的光学元件,如图1所示,因为铁电液晶具有很好的层和手性特性,可以对电场产生自发的偏振响应,从而实现亚秒级的光学变焦时间。

(2)可调声学梯度透镜

可调声梯度(TAG)透镜,又称超声透镜,其原理是利用压电材料产生的声波,径向激发一个填充有折射流体的圆柱形空腔,空腔内有两个平板玻璃窗口,获得超高速的焦距变化。

图2可调声梯度透镜示意图

资料来源:自然光子学,2020,14 (9) : 533-542。图1 (c)

如图2所示,圆柱形压电体以强径向振动方式在平板玻璃壁上产生一定驱动频率(t=0)的声波,并在两块平板玻璃之间来回传播,相互干扰达到稳定状态,在折射流体中产生一定密度的驻波振荡。因此,通过控制驱动频率可以获得特定的驻波密度振荡,从而获得可以在梯度上连续变化的折射率和焦距,变焦时间可以低至细微甚至更短。

(3)自适应光学技术

使用电流镜或自适应光学元件(如变形镜和空间光调制器)也可以实现快速变焦功能。

图3是传统机械变焦镜头和自适应变焦镜头之间的比较图

资料来源:自然光子学,2020,14 (9) : 533-542。图1 (d)

如图3所示,左图为传统的Alvarez镜头,通过两个折射镜头的相对平移来控制焦距,但这种方法响应时间长,不能满足高速对焦的要求。为了进一步缩短其响应时间,因斯布鲁克医科大学的马丁巴瓦特等人在两个折射透镜之间放置了一个检流计,通过光束偏转实现了聚焦控制,如图3右侧的将响应时间降低到了亚毫米级别。

二、高速变焦光学系统的应用

如上所述,新技术和新材料促进了高速变焦系统的发展和创新,但这项技术的发展在实际科学和工业中的意义是什么?

(1)快速3D成像

如今,2D平面信息可以很容易地通过高速相机或其他光学系统获得,而3D立体信息通常是通过堆叠不同的焦平面图像序列获得的,因此高速变焦光学系统的发展对于3D成像尤为重要。

目前的研究表明,高速变焦光学系统可以应用于光荧光显微镜、定量相位显微镜和明视场显微镜,由于高速变焦光学系统给出的响应时间较低,最大限度地缩短了重新聚焦的等待时间,使得光学系统可以在每次脉冲照明下捕获图像,从而实现目标3D信息的快速获取。

(2)先进光谱学

随着单分子定位技术、单粒子跟踪技术、超分辨率荧光显微技术和荧光光谱技术的发展,对能够采集定量数据的光学技术提出了更严格的要求,即通常需要完成目标图像细节、标本速度、扩散系数等重要参数的提取和量化。

在这种情况下,高速变焦光学系统可以在不同的焦平面上采集信息,并在轴向范围内跟踪多个微米级和纳米级物体,从而提高了采集数据的质量,降低了测量参数的不确定性,满足了上述技术的严格要求。

此外,利用高速变焦光学系统的高分辨率和高速数据采集的优势,可以在工业制造中进行更详细的计量分析,从而提高快速原型设计和质量控制的能力。

(3)激光加工

通常情况下,光束经过聚焦后才能用于高分辨率成像、光学缺口、3D打印、激光加工、光通信等。然而,当光束聚焦成微米光斑时,其景深不可避免地会减小,这在一定程度上影响了其应用范围。

以激光加工为例,当激光加工高度差大于其景深的非平面时,需要将加工面按高度分成若干加工步骤,并在每个加工步骤前重新聚焦,大大降低了激光加工的工作效率。

而高速变焦光学系统可以解决这个问题,只需快速控制焦距就可以完成不同高度平面的加工,从而实现超高的激光加工速率。此外,该系统可以显著提高微秒级的微细加工能力。

图4是变焦光学系统打开和关闭时的处理结果的示意图

图源:应用物理快报,2013,102(6): 061113。图4

如图4所示,它是当变焦光学系统打开和关闭时处理具有四个不同高度的硅表面的结果的示意图。当变焦光学系统关闭时,它只能处理一个高度的硅表面,而当系统打开时,它可以处理四个高度的硅表面。

(4)生物光学成像

对生物样品进行光学成像时,将活细胞或生物体暴露于光下会破坏生物样品的活性,通常会变成光毒性,用荧光团或其他荧光探针对样品进行实时成像时,光毒性会加重。此外,使用高激发强度维持强荧光通量也会增加光子诱导损伤的风险,也可能导致光漂白,即荧光信号消失。

而高速变焦光学系统便是近年来防止光漂白和光毒性的有效解决方案之一,目前该方案主要分为两个途径:的第一种方式是利用焦点的空间控制,即利用变焦光学系统只照射目标区域,其他部分保持未曝光状态,降低传递到样品的激发功率,从而降低光毒性和光漂白;第二种方式是利用聚焦的时间控制,即利用高速变焦光学系统在轴向聚焦各个部分,将响应时间控制在微秒时间尺度上,使响应时间小于弛豫时间,从而降低光漂白的可能性。

三、高速变焦光学系统的发展前景

高速变焦光学系统以其精确和高速改变焦点的能力为3D生物医学成像、工业制造、光谱学和其他光学应用打开了一扇新的大门。

未来,随着电子技术和光学探测器的发展,变焦光学系统的发展将进一步加快,这一技术的影响将扩展到其他领域,如高速变焦光学系统的小型化和光流体学的结合对超高速光通信技术的影响。此外,随着新型材料特性和新型驱动方法的发现,新型高速变焦光学系统及其应用将如雨后春笋般在科学界及工业界中浮现。

文章信息

《用于快速聚焦控制的可变光学元件》,自然摄影14,533542(2020)。

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