刁雯蕙 科技日報記者 劉傳書
3月26日，中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院光電工程技術(shù)中心李劍平團隊在知名光學(xué)期刊Optics Letters上發(fā)表最新研究成果。研究團隊提出了一種生成薄而寬的準無衍射激光光片的光瞳掩模優(yōu)化設(shè)計方法。博士后研究員唐城博士為論文第一作者，正高級工程師李劍平博士為通訊作者。
光片熒光顯微術(shù)（light sheet microscopy）是活體生物成像的一場革命。通過將激發(fā)激光限制于顯微物鏡景深范圍附近的光片薄層，既可以減少顯微成像的離焦模糊，又可以減少光漂白和光毒性，極大地提高了圖像的清晰度，延長了生物樣品的觀測時間。通過逐層掃描樣品或光片可形成三維圖像。使用面陣數(shù)字相機的上百萬個像素對焦平面中的目標(biāo)斷層進行并行采樣，具有極高的采樣速度；結(jié)合流式進樣方法還可以實現(xiàn)高通量流式顯微成像。由于其高清、無損、三維、快速等特點，光片熒光顯微術(shù)是表征活體細胞、組織、胚胎和器官的理想手段。
然而，光片顯微術(shù)的成像性能受限于光片的光學(xué)屬性，其成像分辨率受限于光片的厚度，成像視場受限于光片的寬度。而光片的厚度和寬度因光波固有的衍射屬性相互制衡。薄光片支持高分辨率，但衍射發(fā)散快、有效寬度窄，限制了成像視場；厚光片衍射發(fā)散慢，支持大視場成像，但限制了分辨率。光的衍射屬性導(dǎo)致成像分辨率和視場構(gòu)成一對天然矛盾，限制了光片顯微成像中生物個體的大小及表征通量。高分辨率大視場顯微成像需要薄而寬的光片，這種光片具有無衍射性質(zhì)。無衍射光片必然伴有旁瓣，旁瓣對成像構(gòu)成離焦背景噪音。因而基于無衍射光片的顯微熒光成像須控制旁瓣的影響。
用于生成無衍射光片的光瞳掩膜及其使用方法示意圖。科研團隊供圖
針對這一問題，研究者提出了一種數(shù)值優(yōu)化方法，可以用來設(shè)計一種叫做光瞳掩膜的衍射光學(xué)器件，以生成薄而寬的光片。該衍射光學(xué)器件通過調(diào)制振幅或相位，可以調(diào)控光片的厚度、寬度和旁瓣，從而突破高斯光束傳播規(guī)律的限制，在僅使用廉價的柱透鏡和掩模板的基礎(chǔ)上就實現(xiàn)了薄而寬的光片。
該方法巧妙提出了一個光片質(zhì)量的全局評價因子，用以表征光片厚度、無衍射范圍和旁瓣之間的制衡關(guān)系。理論和實驗表明，優(yōu)化后的掩模可將靜態(tài)光片無衍射范圍擴大50%，同時使其旁瓣低于20%。據(jù)此生成的新型靜態(tài)光片可以在不犧牲軸向分辨率的前提下，對樣品實現(xiàn)更大視野成像。
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