超分辨率显微镜中无标记的光子调节反射率

本文解释了一种远场，无标签的超级分辨率（SR）显微镜方法，该方法依赖于在光激发衍射有限点内的超舒放激光脉冲诱导物理性质（温度或载体浓度）的空间分布。通过监视样品的任何属性的非线性响应，这取决于此空间分布 - 例如，可以获得衍射极限给出的较高分辨率的无标签空间信息。

PSF和SR的定义在光子调节图像中

参考文献中讨论了非线性光影反射率（NPMR）的理论，这是无标签超级分辨率显微镜的一个示例。^[1，2]。尽管NPMR是众多物理效应的结果，但将重点放在热激发和探测热心型（TR）上。在TR中，人们利用加热时反射的变化来测量材料的热性能或使用线性模型绘制加热。欧洲杯足球竞彩测量TR的非线性成分响应于光启示，可以显着降低有效点扩散函数（PSF），从而增强了分辨率。

在线性TR的情况下，图像分辨率由泵和探针强度轮廓，泵探头时间延迟和扫描对象确定。在这项研究中，温度曲线与具有标准偏差σ的激光高斯强度分布相同_泵，这对于大约0-3 ps的短泵探针延迟有效。探针梁具有标准偏差σ的高斯形状_探测。

因此，线性TR图像p（x，y）包括泵和探测图像的乘积，与对象函数o（x，y）卷积：

p（x，y）=（psf_泵•PSF_探测）⊗o（x，y）= psftr⊗o（x，y）
= i_泵e -r²/2σ_泵我_探测e -r²2σ_探测（t = 0）⊗o（x，y）。

线性TR中的有效点扩散函数PSF_tr，可以通过对象对图像进行反卷积来获得

σ_tr=√（σ²_泵σ²_探测/σ²_泵+σ²_探测）。

对于具有探针波长一半的泵束，具有相同衍射限制探针梁的电加热样品上的分辨率增强为√5。在泵和探针梁的相同波长的情况下，这种增强仅为√2。结合泵引起的非线性可以改善线性案例的分辨率。

图1。从PSF计算出的横向（R）轴上的有效PSF的模拟曲线和泵强度分布的n阶。蓝色曲线代表探针反射扫描，而其他曲线对应于TR的第n阶。

图2。包括二分色镜（DM），声音调制器（AOM），梁拆分器（BS）和光电二极管的光学设置。

对于泵和探针之间的给定悬浮液，可以将反射率与温度t的函数的相对改变为泰勒级数：

∆r r（α，t）= a1（α）t + a2（α）t2 + a3（α）t3 +••••

其中α是材料依赖参数。如果泵激发是具有调制频率ω的纯正弦波，温度也是谐波函数，t（α）= ib₀（α）e^iΩt，参数b₀取决于材料并将传入强度I与温度联系起来。然后，时间依赖性的热反射∆R/R由

∆rr≈a1ieΩt +a2i2ei2Ωt +a3i3ei3Ωt +••••

为了清楚起见，省略了对α的依赖。通过区分ω不同谐波的调制，测量了非线性响应。在2Ω，3Ω上测量的非线性强度曲线是n = 2，3，…。的高斯，它比图1所示的一阶高斯效果更细。因此，预期的分辨率更高。

为了测量物理系统的非线性响应，强制以纯谐光强度强度激发系统是强制性的。与放大器中的UHFLI锁相结合，使用了本质上产生扭曲的光调制的声学调制器（AOM）和UHF-AWG任意波形发生器，以产生纯正弦激发。

实验装置

光学设备如图2所示。在源处于100 fs脉冲持续时间的800 nm梁（探针）频率翻倍至400 nm（泵）。光束由二分色镜分开。可变延迟线用于调整探针相对于探针梁的时间安排，并且连续的二分性滤波器将两个光束结合到反射显微镜中。

图3。Labone AWG Sequencer程序用于实验。

如图4所示，通过AOM与UHF-AWG一起使用AOM和UHF-AWG调制为400 nm处的泵梁。请在其中一个辅助机构上创建AWG信号的驱动电压要求，请在其中一个AWG信号中创建AWG信号。输出，因此提供了比UHFLI的信号输出更大的信号振幅。AOM的AWG输出信号是量身定制的，以产生纯正弦光激发。使用照片二极管和UHFLI锁定放大器以参考频率的不同谐波进行探针反射率。为了通过锁定检测进行锁定驱动信号，创建了辅助输出1上的正弦信号，并将其馈回参考/触发输入1，以用作锁定参考信号。

图3中的代码块说明了本实验中采用的Labone AWG Sequencer程序。用于生成调制信号的自定义波形AUX_CH2从外部文件加载了与正弦波形式的AUX_CH1一起，用于直接在程序中创建的参考信号。然后，两个波形AUX_CH1和AUX_CH2在无限循环中背对背播放。然后，当使用辅助输出14.0625 MHz时，生成信号的频率由AWG采样速率定义，除以波形以256的样品的数量。

测量结果和分析

测量较高的TR和谐波依赖于纯正弦泵强度调制。由于AOM具有非线性传输函数，因此应以受控方式扭曲其输入信号，以生成纯谐波输出。得益于UHFLI的多个解调剂，可以测量调制光强度的基本和更高的谐波。

这些结果被馈送到开发的迭代算法中，以更新应用于AOM的AWG信号，以减少泵激光调制的非线性组件。作为AWG的替代方案，UHF-MF多频选项提供了功能，可在信号输出上具有单个振幅和相位的八个谐波，以微调AOM驱动器信号。

图4。电气设置用于生成泵束调制并测量光电二极管信号。辅助输出1上的AWG输出连接到AOM驱动程序。使用UHFLI测量光电二极管信号。参考/触发连接器用于与锁定放大器相锁定UHF-AWG。

图5。泵信号的傅立叶变换通过Labone用户界面的振荡器测量。该图在主调制频率54 kHz处显示出突出的峰，而2^nd，3^路，4^Th，...谐波比主峰幅度低约80 dB。

泵信号的傅立叶变换如图5所示，在54 kHz处显示一个突出的主峰，而较高谐波处的峰值至少低四个数量级，从而证明了对纯正弦激发的需求。ITO纳米结构上金双线的SR扫描如图6（C-E）所示。将两个高斯模型拟合到2的信号^nd来自4的和谐^Th一对金双线（160 nm间隙），在第一和第二峰的最大最大（FWHM）的全宽度为227.5±6.1 nm和209.2±5.6 nm，间隙距离为178±2 nm。适合2的类似拟合^nd和谐信号的FWHM分别为142.9±16 nm和151.1±16.5 nm，分别为第一和第二峰，间隙距离为180±2 nm。

计算出的差距与图6（b）中HR-SEM图像的161 nm的测量间隙大小紧密匹配。此外，FWHM的缩小范围为1.5倍，与PSF的预期理论变窄为1.34。UHFLI的多个解调剂可以同时在多个谐波下测量热心反应响应，从而确保在完全相同的实验条件下获得所有信号。

图6。黄金纳米结构上黄金的超分辨率线成像。样品由金双线组成，宽125 nm，差距分别减少370、270、160、160和120 nm。（一种）样品的高分辨率扫描电子显微镜（HR-SEM）图像。（b）HR-SEM缩放在160 nm间隙双线之一上。（C-E）使用第一个目标的线扫描为0.95 NA目标（C），2^nd（d），3^路（e）调制的谐波。

此选项还简化了实验设置，因为替代方案是使用多个锁定放大器或扩展数据采集时间以顺序测量谐波。将驱动器和测量合并到单个仪器中有助于降低不同设备之间电气交谈和接地环的风险。在测量非线性响应信号时，这很重要，该响应信号很小，可以在电子噪声中很容易丢失。

结论

这里已经描述了使用用UHFLI测得的光态反射率的无标签样品中的超分辨率光学显微镜的过程。UHFLI的多功能数字性质通过为所需的A/D信号生成和检测提供多合一的中心来简化实验方法。多谐调解调和FFT读数的能力对于纯谐波调制的生成和验证至关重要。

几个谐波的同时测量节省了测量时间，并消除了对多个锁定放大器的需求。通过记录高阶非线性，可以进一步增强该分辨率。可达到的分辨率的实际限制受高谐波响应中较低的功率和信噪比的控制。样品损伤阈值可以括起来增加激光功率以实现更高的非线性。

致谢

Zurich Instruments要感谢特拉维夫大学的Dror Hershkovitz，Omer Tzang，Haim Suchowski和Ori Cheshnovsky的贡献。

参考

[1] Omer Tzang和Ori Cheshnovsky。基于光热激发的非线性响应的远场超分辨率显微镜。Proc。SPIE 9361，超快现象和纳米光子XIX，Page93610t，2015年3月14日。

[2] Omer Tzang，Alexander Pevzner，Robert E. Marvel，Richard F. Haglund和Ori Cheshnovsky。无标签光调节反射率的超级分辨率。Nanoletters，15（2）：1362–1367,2015。

此信息已从苏黎世仪器提供的材料中采购，审查和改编。欧洲杯足球竞彩

有关此消息来源的更多信息，请访问苏黎世乐器。