高效高精度低溫激光掃描雙聚焦顯微系統的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一套低溫激光掃描雙聚焦顯微系統的設計和制作。該設計和制作包括五個主要部分：I外場輸入；II低溫致冷腔；III光子收集；IV光譜/單光子檢測；V系統自動控制。系統主要技術性能指標包括：①真空極限熒光收集率；②振幅≤10納米；③平移精度≤10納米；④氦氣閉循環制冷；⑤最低溫度4K，穩定性≤0.01K；⑥多外場同步激發。⑦～10納米分辨率；⑧電學/光學測量；⑨外光路可擴展性。本發明的優點在于該套系統從光子收集率、三維平移精度、抗振動度、以及擴展性應用上都能達到同類國際頂級水平。能夠為量子點、半導體材料、微生物單分子等的量子光學、調控、光電和電學低溫/常溫測試等提供一套高效高精度低溫顯微測試平臺。
【專利說明】
高效高精度低溫激光掃描雙聚焦顯微系統
技術領域
[0001 ]本發明涉及一項高熒光收集效率、納米三維掃描精度的氦氣閉循環低溫激光掃描雙聚焦顯微系統的設計方案和制作。
【背景技術】
[0002]20世紀60年代Minsky在其專利中首次闡述了共焦顯微技術的基本原理。1984年出現了第一臺激光掃描共焦顯微鏡實用產品，真正實現了三維立體成像，共焦掃描顯微鏡也就逐漸成為生物學、醫學研究等領域一種非常重要的工具。此后，隨著科學技術的進步、工業制造工藝和計算機圖像處理技術等不斷發展，在共焦掃描顯微鏡的基礎上，經過不斷地發展和改進，各類新型共焦顯微鏡相繼出現，激光掃描共焦顯微鏡探測精度、分辨能力等不斷得以改善和提高，在光學、光電子學、半導體材料、量子點、量子調控、細胞生物學、生物醫學以及醫學檢測等領域對顯微鏡的探測速率的要求也越來越高，然而現有的大多數是常溫、單通道或雙通道的激光掃描共焦顯微鏡，并且缺乏多種外場(包括電場、磁場、微波場等)同步栗浦，從而缺乏對于單分子/單光子的熒光光子態和光子相關函數等前沿領域研究的擴展性探測等，很難滿足日益發展的科技需求。如何實現在高真空、液氦低溫條件下，對樣品的快速、便捷、尚精度掃描，最大限度提尚光子探測效率，利用多種外場同步栗浦的尚端物理前沿研究手段的開發，利用多種探測手段同步檢測等等，成為了阻礙現今激光掃描共焦顯微鏡技術發展的一大“瓶頸”。
[0003]最近數年以來，隨著量子調控技術和生物分子學等基礎前沿研究的發展和應用，同時具備液氦低溫條件、多場對量子點/生物分子能級的同步調控和受控能級躍迀、對納米量子點的掃描和精確定位、對熒光/光子態等信號的同步精確測量等逐步成為前沿尖端領域研究的必備實驗條件。然而，目前我國在這種尖端精密設備研究領域尚有極大的欠缺，目前擁有類似實驗條件的相關領域研究團隊屈指可數。國外也僅有少數頂尖研究團隊具備類似的設備條件。包括如美國哈佛大學的Lukin組，德國斯圖加特大學研究組等等。

【發明內容】

[0004]本發明的目的是提供一種高熒光收集效率和高掃描平移精度的低溫激光掃描雙聚焦顯微和完備測量系統的設計方案和制作方法。
[0005]系統包括如下五個部分，如圖1所示:
[000?] I外場輸入部分；
[0007]II氦氣閉循環低溫致冷腔部分；
[0008]III熒光/光子收集外光路部分；
[0009]IV熒光譜/單光子性能檢測部分；
[0010]V系統集成自動控制部分。
[0011]具體設計和制作方案為:
[0012]1.外場輸入部分。包括多路激光場、電場、磁場、微波場同步栗浦。
[0013]S1.采用光路切換和偏振分束等方法，同時設計多個輸入光路。
[0014]S2.通過在低溫致冷腔內設計安裝小型磁場線圈，可以在腔內產生可調控磁場，最大磁場強度可達100高斯。
[0015]S3.通過在低溫腔上預留的真空法蘭，采用微波發生器將微波場直接輸入到低溫腔內。
[0016]S4.低溫腔上預留了表面絕緣導電線輸入/輸出通道，可以在基片上加工出電極，將電場輸入到樣品上。
[0017]S5.低溫腔上預留的光纖輸入/輸出通道可通過光纖法蘭直接將光纖輸入到樣品上。通過PZT納米平移樣品，可將光纖和量子點類樣品進行精確耦合。
[0018]2.氦氣閉循環真空低溫致冷腔部分。
[0019]S1.物鏡內置于腔內，腔頂開石英窗口，輸入激光可垂直進入物鏡內。物鏡內置可將工作距離降低到?0.2um的極限距離，實現近場掃描；同時可將數值孔徑提高到真空極限
0.95，物鏡熒光收集效率正比于數值孔徑的平方，從而最大限度提高光子收集效率。10—5Pa真空度不會對物鏡造成任何損傷。由于物鏡與樣品之間存在?0.2um的真空間距，物鏡溫度保持室溫。
[0020]S2.樣品通過低溫導熱膠固定于冷頭2上，冷頭2通過螺絲固定于三維平移壓電陶瓷電機(PZT)上，壓電陶瓷電機通過螺絲固定于冷頭I上。PZT受外部控制器通過USB接口由電腦程序控制。通過PZT的三維納米精度平移，結合單光子探測器和光子計數器的同步控制，可實現樣品的平面納米精度掃描和定位；同時可實現物鏡焦距的納米精度調節。掃描、定位效果圖如圖2所示。
[0021]S3.如權利要求1所述，通過真空法蘭，實現真空低溫致冷腔內與外部控制器如溫度和位移控制，和外場之間的光、電傳輸。基于氦氣閉循環的低溫致冷，在10—5Pa真空條件下，底部冷頭最低溫度可達4K;底部冷頭上有壓電陶瓷電機負載，最低溫度可達6K。鉑銠合金熱電偶的溫度控制可實現0.1K的溫度控制精度。
[0022]S4.致冷系統采用壓縮機與低溫腔分離，兩者之間軟管連接的設備結構，低溫腔放置于光學平臺上，可最大限度降低振動幅度至?10納米水平。
[0023]3.熒光/光子收集外光路部分。
[0024]S1.熒光/光子收集光路采用全封閉式。最大限度降低暗室中游離光子等噪聲信號的干擾。
[0025]S2.通過設計轉盤和采用分束器等，將熒光按需求分成一定的比例進入不同的接收通道。
[0026]S3.擴展性測量。同時可在光學平臺上進一步搭建光學測量系統，將熒光信號引入擴展光路進行檢測。
[0027]4.熒光譜/單光子性能檢測部分。外圍熒光譜/光子探測設備可以對收集和準直后的熒光/光子進行同步的熒光譜測量，和光子態等的測量(包括光子相關函數、光子反聚束、量子拍、光子壽命、偏振態等)。
[0028]5.系統集成自動控制部分。如權利要求2所述，將各激發場、驅動控制器、光子探測器、計數器、CCD驅動控制等利用Labview軟件編程集成控制，在同一控制界面進行同步的外場激發、掃描驅動、光子探測和計數、CCD實時監控等。實現本系統的簡便、快捷、自動化操控。基于Labview軟件的集成控制界面如圖3所示。
[0029]本設計方案可根據實際使用和需求進行適當調整。圖4是本項發明的具體設計和制作方案圖。圖5是根據本項設計制作出的低溫激光掃描顯微系統樣品機，以及利用該系統檢測獲得的納米量子點的低溫掃描圖。
【附圖說明】
[0030]圖1為高效高精度低溫激光掃描雙聚焦顯微系統設計原理圖；
[0031 ]圖2為系統掃描、定位效果圖；
[0032]圖3基于Labview軟件的集成控制界面圖。
[0033]圖4具體設計和制作方案圖。
[0034]圖5低溫激光掃描雙聚焦顯微系統樣機。
【主權項】
1.一種高熒光收集效率、高精度液氦低溫激光掃描雙聚焦顯微系統包括外場輸入部分、氦氣閉循環真空低溫致冷腔部分、熒光/光子收集外光路部分、熒光譜/單光子性能檢測部分、和系統集成自動控制部分。2.根據權利要求1所述的一種高熒光收集效率、高精度液氦低溫激光掃描雙聚焦顯微系統，其特征在于，所述的外場輸入部分包括多路激光場、電場、磁場、微波場同步栗浦: 51.采用光路切換和偏振分束等方法，同時設計多個輸入光路； 52.通過在低溫致冷腔內設計安裝小型磁場線圈，可以在腔內產生可調控磁場，最大磁場強度可達100高斯； 53.通過在低溫腔上預留的真空法蘭，采用微波發生器將微波場直接輸入到低溫腔內； 54.低溫腔上預留了表面絕緣導電線輸入/輸出通道，可以在基片上加工出電極，將電場輸入到樣品上； 55.低溫腔上預留的光纖輸入/輸出通道可通過光纖法蘭直接將光纖輸入到樣品上，通過PZT納米平移樣品，可將光纖和量子點類樣品進行精確耦合。3.根據權利要求1所述的一種高熒光收集效率、高精度液氦低溫激光掃描雙聚焦顯微系統，所述的氦氣閉循環真空低溫致冷腔部分具有以下特征: 51.物鏡內置于腔內，腔頂開石英窗口，輸入激光可垂直進入物鏡內。物鏡內置可將工作距離降低到?0.2um的極限距離，實現近場掃描；同時可將數值孔徑提高到真空極限0.95，物鏡熒光收集效率正比于數值孔徑的平方，從而最大限度提高光子收集效率;10-5Pa真空度不會對物鏡造成任何損傷。由于物鏡與樣品之間存在?0.2um的真空間距，物鏡溫度保持室溫； 52.樣品通過低溫導熱膠固定于冷頭2上，冷頭2通過螺絲固定于三維平移壓電陶瓷電機(PZT)上，壓電陶瓷電機通過螺絲固定于冷頭I上;PZT受外部控制器通過USB接口由電腦程序控制;通過PZT的三維納米精度平移，結合單光子探測器和光子計數器的同步控制，可實現樣品的平面納米精度掃描和定位;同時可實現物鏡焦距的納米精度調節； 53.通過真空法蘭，實現真空低溫致冷腔內與外部控制器如溫度和位移控制，和外場之間的光、電傳輸。基于氦氣閉循環的低溫致冷，在10_5Pa真空條件下，底部冷頭最低溫度可達4K;底部冷頭上有壓電陶瓷電機負載，最低溫度可達6K。鉑銠合金熱電偶的溫度控制可實現0.1K的溫度控制精度。 54.致冷系統采用壓縮機與低溫腔分離，兩者之間軟管連接的設備結構，低溫腔放置于光學平臺上，可最大限度降低振動幅度至?10納米水平。4.根據權利要求1所述的一種高熒光收集效率、高精度液氦低溫激光掃描雙聚焦顯微系統，所述的熒光/光子收集外光路部分具有以下特征: 51.熒光/光子收集光路采用全封閉式。最大限度降低暗室中游離光子等噪聲信號的干擾。 52.通過設計轉盤和采用分束器等，將熒光按需求分成一定的比例進入不同的接收通道。 53.擴展性測量。同時可在光學平臺上進一步搭建光學測量系統，將熒光信號引入擴展光路進彳丁檢測。5.根據權利要求1所述的一種高熒光收集效率、高精度液氦低溫激光掃描雙聚焦顯微系統，其特征在于，所述的熒光譜/單光子性能檢測部分可以對收集和準直后的熒光/光子進行同步的熒光譜測量，和光子態等的測量(包括光子相關函數、光子反聚束、量子拍、光子壽命、偏振態等)O6.根據權利要求1所述的一種高熒光收集效率、高精度液氦低溫激光掃描雙聚焦顯微系統，其特征在于，所述的系統集成自動控制部分將各激發場、驅動控制器、光子探測器、計數器、CCD驅動控制等利用Labview軟件編程集成控制，在同一控制界面進行同步的外場激發、掃描驅動、光子探測和計數、CCD實時監控等。實現本系統的簡便、快捷、自動化操控。
【文檔編號】G01N21/64GK105891171SQ201610136183
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年3月1日
【發明人】趙洪泉, 石軒, 馬勇, 任昌亮
【申請人】中國科學院重慶綠色智能技術研究院