光片显微镜技术：不同光片的特性与应用

图 1 显示了比较中包含的六种光片类型的示意图。利用照明物镜后焦平面电场的幅度和相位来模拟样品体积中光束的强度分布。展示了光束扫描或光片抖动产生的光片在照明和检测轴（YZ）以及扫描轴和检测轴（XZ）上的截面。

光片截面：

• YZ 轴：沿照明和检测轴的截面

•  XZ 轴：沿扫描轴和检测轴的截面

六种光片类型

1、高斯光束光片

简介：激光理想情况下发射高斯光束，高斯光束的强度分布沿径向方向遵循高斯分布，并在传播方向上保持这种分布。

生成方法：通过圆柱透镜生成，或通过在检测物镜的焦平面扫描高斯光束生成。

特点：这种光片类型最为常见，具有保守的强度分布。

2、聚焦平顶光束光

简介：通过均匀照明物镜的后焦平面生成，焦平面中的强度分布称为“艾里盘”。

生成方法：扩展高斯光束，使其直径远大于物镜后焦平面。

特点：更多的光以较大的角度进入焦点，从而实现更紧的聚焦，但代价是产生附加的环状结构。

3、贝塞尔光束晶格光片

简介：等间距贝塞尔光束的相干叠加形成的光片。

生成方法：根据光束间隔的距离，产生不同的干涉图样，如方形晶格和六边形晶格。

特点：通过调整参数b，可以在主瓣厚度和光学切片之间进行权衡。

4、艾里光束光片

简介：具有“香蕉状”弯曲形状的光束，通过对高斯光束施加三次相位生成。

生成方法：例如，使用空间光调制器。

特点：具有自重构特性，可以在散射或吸收障碍物后恢复其初始强度分布。

5、球差光束光片

简介：当用于聚焦平行光的物镜用于聚焦散焦或聚焦光时，焦点远离物镜的本地焦平面，产生球差光束。

生成方法：通过径向依赖的双二次相位掩模模拟。

特点：唯一一个在沿照明轴的剖面不对称的光束。

6、双光束光片

简介：由两个光束（“子光束”）聚焦通过物镜，然后相对于彼此和物镜的光轴以一定角度传播，并在物镜的焦平面产生干涉图案。

生成方法：通过分裂激光光束，将两个子光束对称地送入后焦平面。

特点：生成一个光片堆栈，中央和最强的光片放置在检测透镜的焦平面上，辅助光片照亮平行平面。

图 1 通过展示不同类型光片在样品体积中的强度分布，比较了这些光片在实际应用中的效果和特点。通过对比，可以更直观地了解每种光片类型在特定应用中的优缺点。
 

高斯光束

简单高效的经典选择

高斯光束以其生成和控制的简便性著称。通过标准的圆柱透镜或聚焦透镜即可生成高斯光束，光束能量集中在中心，呈高斯分布。

高斯光束在轴向分辨率方面表现出色，能够清晰分辨样品中的细节。其单一主瓣结构减少了成像中的背景噪声，提高了图像对比度。在厚样品中成像时，高斯光束产生的散射伪影较少，图像清晰度更高。因此，对于需要高分辨率和高对比度、光敏感或标记密集的样品，高斯光束是理想的选择。

 

贝塞尔光束

大视野成像的利器

贝塞尔光束通过相位调制装置生成，具有自重建特性，能够在遇到障碍后重建其初始强度分布。这使得贝塞尔光束在较大范围内保持高分辨率成像成为可能。

贝塞尔光束在大视野范围内提供高分辨率成像，特别是在双光子激发下，其轴向分辨率显著提高，适合三维大尺度样品的成像。然而，贝塞尔光束的旁瓣结构可能引入更多背景信号，降低图像对比度。对于需要在大范围内保持高分辨率成像的实验，如三维大尺度样品成像，贝塞尔光束是最佳选择。

 

Airy光束

复杂环境中的成像专家

Airy光束通过施加立方相位调制生成，具有“香蕉”形的弯曲形态和自重建特性，能够在遇到散射或吸收障碍时部分恢复其初始形态。

Airy光束在复杂环境中成像表现优异，特别是在高散射介质中。尽管其旁瓣增加了光片厚度，可能降低图像对比度，但在特定应用中的优势依然明显。Airy光束适用于需要在复杂环境中成像的实验，尤其是在高散射介质中的应用。

 

晶格光束

高时空分辨率的理想选择

晶格光束是贝塞尔光束的衍生，利用多个贝塞尔光束的相干叠加形成。其优势在于提供了更高的时空分辨率和更好的光片均匀性。

这种光束能够在较大的视野范围内保持一致的分辨率，但生成复杂，需要精确的光学控制。对于需要高时空分辨率的实验，如观察细胞内部动态过程，晶格光束是理想选择。

 

聚焦平顶光束

均匀照明的可靠选项

聚焦平顶光束通过均匀照明背焦平面生成，光束在焦平面上形成均匀的亮斑，通常称为Airy盘。

这种光束在轴向和横向分辨率之间提供了良好的平衡，适用于需要均匀照明的实验。虽然生成相对复杂，但在需要高均匀性的成像应用中，聚焦平顶光束表现出色。

 

双光束

灵活调控的成像工具

双光束通过两个相互干涉的光束生成，能够形成交替的亮暗条纹结构。这种结构在光片显微镜中生成多个平行光片，增加了成像的灵活性。

双光束适用于需要高分辨率和大视野成像的应用，尤其是需要频繁调节光束参数的实验。在复杂样品的三维成像中，双光束能够提供独特的优势。

 

球差光束

应对折射率失配的利器

球差光束通过施加球面相位调制生成，能够在折射率失配的情况下保持较长的焦深。其优势在于在不同介质中保持一致的成像质量。

对于需要在不同介质中成像的实验，尤其是需要在透明介质和高折射率介质之间切换的应用，球差光束是理想选择。

推荐与结论

综合考虑不同光束的特性和优势，高斯光束以其高分辨率和高对比度，适用于大多数成像应用；贝塞尔光束在大视野高分辨率成像中表现出色，适合三维大尺度样品；Airy光束在复杂环境中成像具有独特优势；晶格光束、聚焦平顶光束、双光束和球差光束则在特定应用中提供了不可替代的优势。

选择合适的光束类型，将帮助研究人员获得最佳的成像效果，从而更好地观察和研究活体培养。光片显微镜的光束选择不仅是技术的选择，更是科研成功的关键。