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长三角G60激光联盟导读
本文首次提出了遗传算法(GA)生成超构透镜的概念验证实验实现 。
摘要
光片荧光显微镜（LSFM）通过用贝塞尔光束照射荧光标记的活细胞或组织薄片来切片生物样品 ， 需要抖动光束以形成2D光片 。 它通常具有严重的光毒性和低信噪比（SNR） ， 这主要是由于旁瓣照明从邻近组织产生不利的生物荧光引起的 。 为解决上述问题 ， 本文首次提出了遗传算法(GA)生成超构透镜的概念验证实验实现 。 结果表明 ， 由GaN基金属制成的无抖动2D光片 ， 具有GA生成的棱镜状但非分析相位轮廓 ， 可将合成光片的侧瓣强度显著抑制至主瓣强度的7.3% ， 并将其聚焦深度扩展至4mm ， 超过文献中报道的最新结果 。 当在双光子激发下应用时 ， 光片显示出增强的轴向分辨率和SNR 。 这些结果证明了将人工智能生成的Metalens应用于解决传统分析设计方法遇到的一些特殊问题的可行性 ， 并且这里生产的Metalen设备可以在无机械抖动的快速LSFM大规模生物成像应用中发挥重要作用 。
1 ， 介绍
与传统的共焦激光扫描显微镜相比 ， 光片荧光显微镜（LSFM）可对活体样品进行切片以捕获动态生物过程 ， 从而实现快速真实三维成像 ， 降低光毒性并提高信噪比 。 通过使用柱面透镜聚焦入射高斯光束实现的第一个LSFM通常具有由瑞利长度定义的非常有限的聚焦深度（DOF） 。 迄今为止 ， 由于贝塞尔光束的无衍射特性 ， 最常用的三维贝塞尔光束LSFM具有更大的自由度 。 然而 ， 它们应该横向抖动以形成真正的光片 ， 这导致贝塞尔光束旁瓣照射的生物组织的生物荧光导致相对较高的光毒性和较低的信噪比 。 因此 ， 当前的LSFM技术总是存在抖动过程、有限的自由度、高光毒性和低信噪比 ， 因此留下了很大的改进空间 。
多片光片原理图及工作原理 。
光学超表面是一种具有波长尺度厚度的人造2D光学元件 ， 通过引入相移 ， 可以在纳米尺度上操纵入射波 。 它已广泛应用于光束生成、成像和传感 。 另一方面 ， 人工智能（AI）通过提供前所未有的非分析性和反直观的优化解决方案 ， 在纳米光子学设计中得到了广泛应用 。 在大多数情况下 ， 当输入激励和光场输出之间的物理关系已知时 ， 可以引入遗传算法（GA）来优化纳米光子学设计 。 在其他情况下 ， 当输入变量和光学响应之间的关系在机器学习之前未知时 ， 可以通过示例对神经网络进行训练 ， 以揭示它们之间复杂且违反直觉的关系 。 然而 ， 由于神经网络消耗了大量资源 ， 后者通常需要更好的计算硬件要求 。 相比之下 ， 之前的理论工作通过研究2D单平面和多平面光片的结果证明了本文提出的基于遗传算法的介电金属设计方法的有效性和通用性 ， 所有这些光片都没有抖动过程 。
在这项工作中提供了第一个GA优化介电金属的概念验证实验实现 ， 以解决传统LSFM的局限性 。 然后还讨论了本文的光片在LSFM应用中与最近实现的旁瓣抑制光学图案相比的优势 。 此外 ， 本文还展示了另一个吸引人的应用场景 ， 即双光子激发（TPE）激发下旁瓣可忽略的光片图案 ， 并通过研究具有不同参数的金属透镜的光学特性 ， 发现本文的光片以与贝塞尔光束相同的方式演化 。 最后 ， 本文提供了实现具有非分析相位分布的消色差金属的方法 ， 该方法可以在400至640nm的宽带波长范围内创建无色散的2D光片 。 所有这些观察结果表明 ， 本文的工作成功地提供了一种新的设计范式 ， 通过使用具有非分析相位轮廓的金属透镜来解决传统LSFM遇到的困难 ， 并将在各种应用场景中为未来基于无抖动LSFM的大规模生物成像带来显著好处 。
2.结果和讨论
2.1遗传算法设计和应用场景
本工作中研究的遗传算法循环过程示意图如图1a所示 ， 旨在在监督随机突变（即本工作中的相变）期间搜索最优解 。 在该循环中 ， “初始生成”旨在获得原始生成并触发GA循环的开始 。 在此步骤中 ， 每个个体的DNA（相移分布）是相同的 。 GA工艺中的节距周期设置为300 nm ， 符合纳米制造工艺（见图2b-e） 。 由于本文的无衍射光片目前面向生物成像应用 ， 本文在图1b中示意性地描述了其应用场景 ， 其中金属透镜放置在透镜2的出射光瞳上 ， 以在水中生成4mm长的光片模式 。 由光片照射的水生生物器官的光荧光信号稍后将被过滤 ， 并通过管透镜传送到CCD相机进行记录 。
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