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最新消息| 基于遺傳算法的超透鏡設計產生側瓣抑制大聚焦深度光片的實驗演示 | 2022-10-17 |
| 文章来源：由「百度新聞」平台非商業用途取用"https://new.qq.com/rain/a/20220817A06Q9200" 長三角G60激光聯盟導讀本文首次提出了遺傳算法(GA)生成超構透鏡的概念驗證實驗實現。摘要光片熒光顯微鏡（LSFM）通過用貝塞爾光束照射熒光標記的活細胞或組織薄片來切片生物樣品，需要抖動光束以形成2D光片。它通常具有嚴重的光毒性和低信噪比（SNR），這主要是由于旁瓣照明從鄰近組織產生不利的生物熒光引起的。為解決上述問題，本文首次提出了遺傳算法(GA)生成超構透鏡的概念驗證實驗實現。結果表明，由GaN基金屬制成的無抖動2D光片，具有GA生成的棱鏡狀但非分析相位輪廓，可將合成光片的側瓣強度顯著抑制至主瓣強度的7.3%，并將其聚焦深度擴展至4mm，超過文獻中報道的最新結果。當在雙光子激發下應用時，光片顯示出增強的軸向分辨率和SNR。這些結果證明了將人工智能生成的Metalens應用于解決傳統分析設計方法遇到的一些特殊問題的可行性，并且這里生產的Metalen設備可以在無機械抖動的快速LSFM大規模生物成像應用中發揮重要作用。1，介紹與傳統的共焦激光掃描顯微鏡相比，光片熒光顯微鏡（LSFM）可對活體樣品進行切片以捕獲動態生物過程，從而實現快速真實三維成像，降低光毒性并提高信噪比。通過使用柱面透鏡聚焦入射高斯光束實現的第一個LSFM通常具有由瑞利長度定義的非常有限的聚焦深度（DOF）。迄今為止，由于貝塞爾光束的無衍射特性，最常用的三維貝塞爾光束LSFM具有更大的自由度。然而，它們應該橫向抖動以形成真正的光片，這導致貝塞爾光束旁瓣照射的生物組織的生物熒光導致相對較高的光毒性和較低的信噪比。因此，當前的LSFM技術總是存在抖動過程、有限的自由度、高光毒性和低信噪比，因此留下了很大的改進空間。多片光片原理圖及工作原理。光學超表面是一種具有波長尺度厚度的人造2D光學元件，通過引入相移，可以在納米尺度上操縱入射波。它已廣泛應用于光束生成、成像和傳感。另一方面，人工智能（AI）通過提供前所未有的非分析性和反直觀的優化解決方案，在納米光子學設計中得到了廣泛應用。在大多數情況下，當輸入激勵和光場輸出之間的物理關系已知時，可以引入遺傳算法（GA）來優化納米光子學設計。在其他情況下，當輸入變量和光學響應之間的關系在機器學習之前未知時，可以通過示例對神經網絡進行訓練，以揭示它們之間復雜且違反直覺的關系。然而，由于神經網絡消耗了大量資源，后者通常需要更好的計算硬件要求。相比之下，之前的理論工作通過研究2D單平面和多平面光片的結果證明了本文提出的基于遺傳算法的介電金屬設計方法的有效性和通用性，所有這些光片都沒有抖動過程。在這項工作中提供了第一個GA優化介電金屬的概念驗證實驗實現，以解決傳統LSFM的局限性。然后還討論了本文的光片在LSFM應用中與最近實現的旁瓣抑制光學圖案相比的優勢。此外，本文還展示了另一個吸引人的應用場景，即雙光子激發（TPE）激發下旁瓣可忽略的光片圖案，并通過研究具有不同參數的金屬透鏡的光學特性，發現本文的光片以與貝塞爾光束相同的方式演化。最后，本文提供了實現具有非分析相位分布的消色差金屬的方法，該方法可以在400至640nm的寬帶波長范圍內創建無色散的2D光片。所有這些觀察結果表明，本文的工作成功地提供了一種新的設計范式，通過使用具有非分析相位輪廓的金屬透鏡來解決傳統LSFM遇到的困難，并將在各種應用場景中為未來基于無抖動LSFM的大規模生物成像帶來顯著好處。2.結果和討論2.1遺傳算法設計和應用場景本工作中研究的遺傳算法循環過程示意圖如圖1a所示，旨在在監督隨機突變（即本工作中的相變）期間搜索最優解。在該循環中，“初始生成”旨在獲得原始生成并觸發GA循環的開始。在此步驟中，每個個體的DNA（相移分布）是相同的。GA工藝中的節距周期設置為300nm，符合納米制造工藝（見圖2b-e）。由于本文的無衍射光片目前面向生物成像應用，本文在圖1b中示意性地描述了其應用場景，其中金屬透鏡放置在透鏡2的出射光瞳上，以在水中生成4mm長的光片模式。由光片照射的水生生物器官的光熒光信號稍后將被過濾，并通過管透鏡傳送到CCD相機進行記錄。圖1基于遺傳算法的光學金屬設計和生物成像的應用場景。a）優化輕金屬板設計的GA循環過程，包括“初始生成”、“子生成”、“變異”、“適應度函數排序”、“收斂性檢查”和“重復”。b）生物成像實驗裝置：一束擴展和準直的激光束照射透鏡2出射光瞳上的金屬，從而在水中產生4mm長的光片模式，具有顯著的側模抑制。然后，來自成像室中水生生物受照器官的光熒光信號被過濾，并通過管透鏡傳輸到CCD攝像機進行記錄。圖2基于高指數GaN單元電池的金屬納米制造。a）納米制造流程圖。b）GaN單元的示意圖，高度（H）為800nm，節距周期（P）為300nm，直徑（2R）和c）變化，其相應的半徑相關相移。d）生成所提出的光片模式的GaN基金屬的俯視圖和e）側視圖。2.2金屬制造具有GA生成的相位分布的金屬元件的制造基于由高折射率GaN納米柱組成的偏振無關金屬元件。金屬的制造流程如圖2a所示，從通過金屬有機化學氣相沉積在雙拋光藍寶石上生長800nm厚的未摻雜GaN層開始。然后沉積400nm厚的SiO2層作為用于GaN納米結構蝕刻的硬掩模層，然后旋涂用于圖案化工藝的正色調電子束抗蝕劑。金屬的布局由電子束光刻曝光和隨后的顯影工藝確定。隨后，沉積40nm厚的鉻（Cr）層作為第二硬掩模，允許在剝離工藝后通過反應離子蝕刻SiO2層將布局轉移到SiO2層。為了制備高深寬比GaN納米柱，采用感應耦合等離子體反應離子刻蝕系統刻蝕SiO2硬掩模。最終，通過緩沖氧化物蝕刻溶液的濕法蝕刻去除SiO2層來制造金屬器件。圖2b示意性地顯示了具有相同節距周期、高度和不同半徑的單元尺寸，圖2c顯示了與半徑相關的相移。設備的頂視圖和側視圖分別如圖2d、e所示。2.3光學特性通過圖3a所示的實驗裝置測量制造的金屬的光學特性。使用超連續譜激光器結合聲光可調諧濾波器來選擇所需的激發波長。使用物鏡將入射光傳輸到金屬片上，使用另一物鏡收集通過傳輸方式從金屬片創建的光學圖案。安裝在光路末端的機動平臺上的CCD攝像機用于通過在y軸上掃描機動平臺來獲取光場數據。在光學表征過程中，CCD攝像機從金屬背面至z軸20mm處拍攝了200張照片。GaN納米柱的偏振不敏感性質允許該設計擺脫入射光偏振對金屬傳感器的限制，因此，與PancharatnamBerry（PB）相金屬傳感器的設置相比，通過將光學測量系統減少到一對物鏡，顯著促進了未來的光學生物成像設置。因此，由于沒有光學偏振器和波片，該設置還將允許更好的光學通量用于生物成像應用，同時提高系統在不同光學照明下的耐受性。圖3光學特性的實驗裝置以及測量結果與計算結果的比較。2.42D光場的對比研究為了深入了解光片的形成，并展示在LSFM中提出的2D光片的獨特優勢，本文在圖4中對1Dmetalenses與相應的柱面透鏡、平方透鏡和擾動棱鏡相位輪廓創建的光學圖案進行了對比研究。2DSQUBIC超構透鏡以及其他具有分析相位輪廓的金屬透鏡，如軸棱錐、位移軸棱錐和對數非球面透鏡可用于生成具有擴展自由度和弱旁瓣的3D光學聚焦。然而，當降低到1D金屬透鏡時，棱鏡、三次方透鏡、位移軸棱錐和對數非球面透鏡生成的光學圖案與其2D對應物具有非常明顯的光學特征，并受到更短的自由度或更明顯的SMLR的影響。這一重要發現意味著，當將傳統軸對稱透鏡降低到1D結構以生成2D光學圖案時，應格外小心。在圖4中，所有metalense共享相同的單位單元基音周期、WD和工作波長。圖4a、d、g、圖4b、e、h和圖4c、f、i分別說明了它們的相位分布、計算的光場和FWHM。圖4相位分布（左面板）、光學圖案（中間面板）和光學圖案（右面板）的半高寬的對比研究，由metalenses創建，具有a–c）柱面透鏡相位分布、d–f）平方透鏡相位分布和g–i）擾動棱鏡相位分布，并在（c）、（f）和（i）中插入插圖，顯示每個圖案的放大圖像。插圖中的白色虛線測量強度峰值處的強度分布，結果由（c）、（f）和（i）中的黑色曲線顯示。（f）插圖中的黑色虛線測量（f）中紅色虛線顯示的強度谷處的強度分布。所有圖案都設置為2D，并由1DMetalense生成。與柱面透鏡聚焦的平面波不同（圖4a-c），本文提出的光片雖然犧牲了一些軸向分辨率，但可以維持較長的無衍射傳播長度，在x軸上沒有任何明顯的旁瓣（在±150μm范圍內）。此外，通過仔細觀察本文提出的光片圖案的橫模輪廓（圖4i），本文發現它在某種程度上類似于具有類似SMLR但自由度大一個數量級的柱面透鏡（圖4c）創建的圖案（光片約4mm，柱面透鏡為0.44mm）。由柱面透鏡產生的光學圖案的旁瓣的出現歸因于使用了類似光柵的金屬（具有構成本文的光片的相同單元），其節距周期接近波長的一半。與Squabicmetalens相比，本文提出的光片具有類似的DOF（見圖4e、h和圖4f、i中的插圖），均勻性更好，SMLR更低，如圖4f，i所示。所有上述觀察結果導致本文的主要結論，即本文提出的光片具有與柱面透鏡復雜關系的強度分布。然而，其具有高度均勻性和旁瓣抑制的大自由度無法通過具有解析解的透鏡實現，至少到目前為止是如此。此外，最近發表的一篇文章中揭示了一個非常驚人的結果，證明了反向設計的1.8mm大型多級衍射透鏡可以實現衍射極限和超長自由度(≈1200mm）。顯然，它在超大視場光學成像、光學光刻等應用中具有很好的潛力。然而，當應用于LSFM時，它似乎沒有那么吸引人，因為存在以下缺點：首先，具有不可忽略旁瓣的3D光學圖案，無法解決基于貝塞爾光束的LSFM在面內抖動過程中遇到的棘手問題，以形成真正的2D光片。其次，當降低到1D結構時，它可能會遇到棱鏡、二次透鏡、移位軸棱錐和對數非球面透鏡遇到的類似問題（假設反向設計的相位輪廓是軸對稱的）。第三，由于主瓣沿傳播方向逐漸擴展，可能會增加成像后處理的額外難度。2.5與最近實現的旁瓣抑制光學圖案的比較本文總結了GA生成的2D光片的主要特征，定制貝塞爾光束和液滴照明都是通過仔細調整位于物體焦平面的環半徑而被認為是疊加貝塞爾光束干涉的結果。為了適當調整貝塞爾光束，采用大孔徑軸棱錐（40?輸出角）來生成超高N.A.疊加貝塞爾光束。由于量身定制的貝塞爾光束具有比標準貝塞爾光束144的自由度，而峰值強度僅為標準貝塞爾光束的1.4倍，這意味著它具有中等的模式轉換效率。然而，其歸一化為高斯光束瑞利長度的自由度僅為2.6，遠小于本文的結果（9.1），如果孔徑較小，該值可能會變得更差。重要的是，本文需要強調，在執行LSFM應用時，形成3D貝塞爾樣光束的定制貝塞爾光束和液滴照明都需要一個必不可少的抖動過程來形成光片，而且這兩項研究中使用的振幅二元板都會產生強烈的能量損失，因此成本效益不高。工程波前的超表面實現。我們相信，本文的遺傳算法生成的光片的特性超過了最近實現的側模抑制非解析貝塞爾光束，并且它很難用傳統光學器件的解析解接近。因此，本文的光片沒有抖動過程，通過使用可輕松集成到傳統光學系統中的金屬材料的非分析和反直觀解決方案，可能會觸發新一代基于LSFM的高速和大規模生物成像應用。此外，GaN基金屬的偏振不敏感特性允許以較低的光學能量消耗進行生物成像實驗，這是由于移除了多個光學器件，同時提高了系統在不同光學照明下的耐受性。2.6基于雙光子激發的光片熒光顯微鏡TPELSFM是另一種應用場景，在這種場景中，本文提出的光片可以很好地應用。與單光子激發顯微鏡不同，TPELSFM采用近紅外（NIR）激發波長，由于激發波長的后向散射減少，從而實現大規模厚生物樣品的更深層次的生物成像。TPELSFM的一個明顯優點是，由于雙光子吸收涉及三階非線性光學過程，該過程遵循激發功率的二次依賴性，因此噪聲將被進一步抑制。在圖5中，本文預測了波長為0.93μm的TPE所產生的光學圖樣，在沒有(圖5a-c)和(圖5d-f)的基音周期、相位梯度和孔徑變化，這將在0.5–0.55μm的光學范圍內激發標記胚胎或大腦的熒光信號。顯然，圖5a、d中所示的兩個光場與單光子激發下的光學圖案非常相似（見圖4h），但噪聲水平顯著降低到生物成像感興趣范圍內的可忽略水平（見圖5b、e）。兩種模式的橫模分布分別如圖5c、f所示。圖5金屬在0.93μm雙光子激發下產生的光學圖案。a、d）全局視圖顯示金屬化后整個空間中的噪聲降低。b、e）放大視圖顯示高度均勻的光學圖案，噪聲級在x=±150μm范圍內可忽略不計。c、f）相應的強度分布表明每種設計具有更好的軸向分辨率。2.7單光子光片熒光顯微鏡與貝塞爾光束的比較本文簡要研究了由我們制造的金屬和第2.6節中研究的金屬所產生的單光子激發下的光場的光學特征。我們發現，在0.532或0.93μm的單光子激發下工作的具有本文提出的相位輪廓（具有相同的節距周期或相同的WD）的金屬透鏡的光學特征以與貝塞爾光束相同的方式演變，從而揭示了它們之間的密切關系，這將允許我們在實際生物成像應用中使用傳統光學系統來操縱光片。2.8寬帶無色散光片本文討論了設計一種寬帶消色差金屬片的可能性，該金屬片在400nm至640nm的波長范圍內產生無色散光片。從而在同一空間區域內產生類似的建設性或破壞性干擾（見圖6d-f）。400至640nm波長的相應位置相關相位分布如圖6a所示，相位補償（或等效群延遲）如圖6b所示（圖6c）。盡管本文提出的金屬元件的孔徑相當大，但我們認為，由于本文的金屬元件具有低的N.A.，且最大相移低于具有相同孔徑和N.A的拋物線金屬元件，因此這種相位分布仍然可以通過集成GaN波導PB相位金屬元件實現。我們還認為，該設計策略可以自由擴展到近紅外領域，在該領域中，入射光在生物組織中的后向散射進一步減少，從而在很大程度上有利于未來的高速多色LSFM。圖6產生無色散光片的消色差金屬的相位分布和光學圖案。a）波長400、532和640nm處的相位分布。b）消色差金屬所需的位置相關相位補償。c）消色差金屬所需的位置相關群延遲。d–f）在三個波長400、532和640nm處的光學圖案。3.結論總之，本文已經在實驗上實現了具有GA優化相位分布的高折射率GaN基金屬。波長為0.532μm的光學測量結果與本文計算的2D光片圖案非常吻合。與具有分析相位輪廓的1D金屬透鏡產生的2D光學圖案相比，本文提出的光片展示了其在LSFM應用中應用GA優化金屬透鏡的獨特優勢。光片的模式分布類似于聚焦平面波，但具有一個數量級的更大自由度。與已發表文獻中的旁瓣抑制模式的最新研究相比，本文的無抖動光片超過了非解析貝塞爾光束的主要特性，并且與通過光學組件組合實現的真實2D光片相比，它在整個無衍射傳播范圍內表現出極大的均勻性。本文還證明，利用雙光子吸收非線性光學過程，可以進一步顯著抑制基于金屬的TPELSFM的噪聲水平。在研究了具有不同金屬參數或激發波長的單光子激發下的光片之后，本文發現我們的光片的行為與貝塞爾光束相同。最后，本文還介紹了一種使用PB相金屬制作無色散2D光片的實用方法。本文的結果明確地證明了一種新的metalens設計方法，通過使用GA生成的相位分布的非解析解來解決傳統LSFM的局限性，并且通過相應地改變metalens的參數，它可以自由擴展到其他感興趣的波長，以供特定用途。因此，它有望為納米光子學設計開辟一條有效途徑，以解決依賴解析解的傳統光學元件遇到的一些特定限制。來源：ExperimentalDemonstrationofGeneticAlgorithmBasedMetalensDesignforGeneratingSide-Lobe-Suppressed,LargeDepth-of-FocusLightSheet,Laser&PhotonicsReviews,doi.org10.1002lpor.202100425參考文獻：L.Gao,L.Shao,C.D.Higgins,J.S.Poulton,M.Peifer,M.W.Davidson,X.Wu,B.Goldstein,E.Betzig,Cell2012,151,1370. 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