基于超表面的阵列微区荧光激发与读出装置和方法与流程

本申请涉及量子精密测量与微纳光学交叉领域，尤其是涉及一种基于超表面的阵列微区荧光激发与读出装置和方法。

背景技术：

1、微观荧光检测在生物医学、材料科学和量子传感等领域有着重要应用。其中，基于固态量子光源（如金刚石nv色心、量子点等）的荧光显微技术因其光稳定性优异、可集成性强且部分可在室温下工作等优势，成为量子精密测量和量子信息处理领域的研究热点。

2、传统的固态量子光源荧光成像多采用共聚焦扫描显微镜方式，通过逐点移动焦点或样品，依次获取各空间点的荧光信号。然而，该方式受限于机械扫描速度，完成大面积、高密度荧光图像采集的耗时长，不仅难以捕捉动态荧光信号的快速演变，更难以满足毫秒级时间分辨的多点同时监测需求。

3、近年来，部分研究尝试利用宽场荧光显微成像进行并行读出，但其通常使用均匀扩束光斑同时激发大面积样品区域。这种方式存在激发光强分布不均匀、单位面积光功率密度较低的问题，导致各激发位点灵敏度不一致，并且难以针对浅层发光中心实现独立、高效率的激发和低串扰读出。

4、此外，采用传统衍射光学元件进行多点分束，往往存在体积大、集成度低、调节复杂等不足，制约了装置的小型化和系统稳定性。

技术实现思路

1、有鉴于此，本申请实施例提供的基于超表面的阵列微区荧光激发与读出装置和方法，能够实现高速、高空间分辨的且稳定的荧光同步检测。

2、本申请实施例提供的基于超表面的阵列微区荧光激发与读出装置和方法是这样实现的：

3、本申请实施例的一方面，提供一种基于超表面的阵列微区荧光激发与读出装置，所述装置包括：

4、光源，用于提供平行的激发光束；

5、光束转换模块，用于将所述激发光束转换为包括多个独立聚焦光斑的阵列出射光，并投射至固态量子光源样品表面，以在所述固态量子光源样品表面形成多个激发光斑，在所述阵列出射光的激发下，各所述激发光斑位置产生荧光；

6、信号处理系统，用于通过图像采集的方式在一张图像中并行获取所述多个激发光斑位置产生的荧光，通过基于预先标定的串扰矩阵对各所述激发光斑位置的荧光强度进行校正，重构得到准确的荧光强度空间分布。

7、在一种可能的实现方式中，所述光束转换模块包括：

8、超表面阵列聚焦透镜，包括亚波长结构阵列，用于将所述激发光束转换为多个独立聚焦光斑的阵列出射光，所述阵列出射光对应的各所述聚焦光斑的预设间距为3μm至20μm。

9、投影光学系统，用于将所述阵列出射光投射至所述固态量子光源样品表面，以在所述固态量子光源样品表面形成多个独立激发光斑。

10、在一种可能的实现方式中，所述超表面阵列聚焦透镜包括介质基底，以及在所述介质基底上阵列排布的亚波长结构单元，所述亚波长结构单元的尺寸符合亚波长特征尺寸，通过改变亚波长结构单元的横截面尺寸或旋转角度实现相位调制。

11、在一种可能的实现方式中，所述投影光学系统包括转接光路，所述转接光路包括至少一个透镜，用于将所述阵列出射光焦点中继并缩放成像到固态量子光源样品上。

12、在一种可能的实现方式中，所述信号处理系统包括：

13、荧光收集与成像系统，用于通过图像采集的方式在一张图像中并行获取所述多个激发光斑位置产生的荧光；

14、控制与处理单元，用于控制所述光源的激发与所述荧光的采集，并对采集得到的一张图像中各所述荧光区域进行光学解耦，重构各所述激发光斑位置的荧光强度以确定荧光强度空间分布。

15、在一种可能的实现方式中，所述荧光收集与成像系统包括：

16、二向色镜，对所述激发光束具有高透射特性，对所述荧光具有高反射特性，用于分离所述激发光束和所述荧光；

17、滤光片，所述滤光片的通带覆盖所述荧光波段，用于滤除杂散光及残余激发光束；

18、相机，用于采集所述固态量子光源样品表面图像，并确定所述图像中各所述激发光斑位置为荧光区域。

19、本申请实施例的另一方面，还提供一种基于超表面的阵列微区荧光激发与读出方法，用于上述基于超表面的阵列微区荧光激发与读出装置，所述方法包括：

20、将平行的激发光束转换为包括多个独立聚焦光斑的阵列出射光，并投射至固态量子光源样品表面，其中，在所述阵列出射光的激发下，所述多个独立聚焦光斑投影至所述固态量子光源样品表面形成的多个激发光斑位置产生荧光；

21、通过图像采集的方式在一张图像中并行获取所述多个激发光斑位置产生的荧光强度，通过基于预先标定的串扰矩阵对各所述激发光斑位置的荧光强度进行校正；

22、根据校正后的各所述荧光强度确定荧光强度空间分布。

23、在一种可能的实现方式中，所述通过图像采集的方式在一张图像中并行获取所述多个激发光斑位置产生的荧光强度，包括：

24、对所述固态量子光源样品表面进行图像采集，并在采集到的图像中划分多个独立的感兴趣区域，各所述感兴趣区域分别与对应一个所述激发光斑位置；

25、对各所述感兴趣区域内所有像素的灰度值进行积分累加，得到各所述激发光斑位置未校正的荧光强度。

26、在一种可能的实现方式中，所述方法还包括：

27、依次仅对单个激发光斑提供激发光束；

28、在每一次提供所述激发光束后进行图像采集，测量所述图像中所有激发光斑位置的荧光强度，得到各所述激发光斑位置对采集得到图像中所有激发光斑位置对应感兴趣区域的荧光响应向量；

29、根据各次测量得到的荧光响应向量构建所述串扰矩阵。

30、借由上述技术方案，该装置包括光源，用于提供平行的激发光束。光束转换模块，用于将激发光束转换为包括多个独立聚焦光斑的阵列出射光，并投射至固态量子光源样品表面，以在固态量子光源样品表面形成多个激发光斑，在阵列出射光的激发下各激发光斑位置的发光中心产生荧光。信号处理系统，用于通过图像采集的方式在一张图像中并行获取各激发光斑位置产生的荧光，并通过基于预先标定的串扰矩阵对各激发光斑位置的荧光强度进行校正，重构得到准确的荧光强度空间分布。本申请的装置结构简单、无机械运动部件，能够通过图像采集的方式实现高速、高空间分辨的并行荧光同步检测。

1.一种基于超表面的阵列微区荧光激发与读出装置，其特征在于，所述装置包括：

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光束转换模块包括：

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述超表面阵列聚焦透镜包括介质基底，以及在所述介质基底上排布的亚波长结构单元，所述亚波长结构单元的尺寸符合亚波长特征尺寸，通过改变亚波长结构单元的横截面尺寸或旋转角度实现相位调制。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述投影光学系统包括转接光路，所述转接光路包括至少一个透镜，用于将所述阵列出射光的焦点中继并缩放成像到固态量子光源样品上。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述信号处理系统包括：

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述荧光收集与成像系统包括：

7.一种基于超表面的阵列微区荧光激发与读出方法，其特征在于，用于权利要求1-6中任意一项所述的装置，所述方法包括：

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述通过图像采集的方式在一张图像中并行获取所述多个激发光斑位置产生的荧光强度，包括：