基于纳米粒子振幅和相位分布改善光学分辨率的研究

发布时间：2017-06-10 20:10

  本文关键词：基于纳米粒子振幅和相位分布改善光学分辨率的研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：超高灵敏度的纳米颗粒光学检测在生物／纳米及其相关研究领域中占有重要地位。但是由于纳米粒子的截面较小,通过光学的方法在背景噪声中提取微弱的信号是一件非常困难的事情,因此直接检测不发光的纳米颗粒是一个非常困难的任务。粒度分辨率是一个很重要的概念,它表示测量中能够分辨的最小尺度,对于颗粒的测量是至关重要的。在生物医学工程领域,常常需要对图像进行分析,图象的分辨率越高,越有利于对信息的提取,那么如何提高分辨率便成了不可避免的讨论话题。光学分辨率又叫光学解析度,是指仪器的光学系统可以采集到的实际信息量,它是衡量光学仪器品级的关键指标之一。普通光学显微镜的分辨率能达到可见光波长的一半,为了达到提高光学分辨率的目的,本文研究了基于双纳米粒子与高会聚光相互作用下散射光场的振幅和相位分布变化来提高分辨率的方法,基于本课题组前期设计的正交偏振显微成像系统可以实现高灵敏度的探测,以及在无标记的情况下得到单个纳米粒子与光相互作用得到的散射光场为4个花瓣状结构的前提下,根据两个粒子在不同位置不同距离呈现出的不同振幅和相位分布变化,可以确定两个粒子的相对位置关系同时达到提高粒子分辨率的作用。本文研究选用聚苯乙烯微粒,因为其具有与生物环境相似的光学性质,可以模拟生物系统。首先研究了高会聚光与两个纳米粒子相互作用得到的散射光场的振幅和相位分布图像,主要是基于正交偏振和外查分干涉方法,在课题组之前研究得到的单个粒子的散射光场的基础上,由于聚苯乙烯材料的微粒与光作用下不会发生耦合作用,因此散射光场可以发生叠加的效果,从而得到y方向的两个纳米粒子的散射光场振幅和相位分布；其次,利用米氏散射方法进行数值模拟并通过FDTD算法进行验证,分析两个纳米粒子的散射光场振幅和相位分布的变化,根据两个粒子在不同位置不同距离呈现出的不同振幅和相位分布变化,可以确定两个粒子的相对位置关系；最后,通过正交偏振显微成像系统进行实验,将采集得到的实验结果与仿真结果进行对比,验证仿真结果的可行性,最终提高分辨率本文的创新点： (1)本文通过对比数值仿真和实验结果,实现了两个聚苯乙烯微粒直径仅有1O0nm,入射光波长为632.8nm的光学分辨率可以达到球心间距200nm,即两个纳米粒子问的间距为100nm,提高了光学分辨率； (2)仿真过程中两个纳米粒子的间距变化范围为100-400nm,确定了一种根据两个纳米粒子散射光场振幅和相位分布图像不同来达到确定两个纳米粒子相对位置的方法。
【关键词】：双纳米粒子 振幅 相位 光学分辨率
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O439;TB383.1
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-13
• 1.1 研究目的及意义9-10
• 1.2 国内外研究现状10-11
• 1.3 论文主要内容及框架11-13
• 2 数值模拟13-26
• 2.1 正交偏振及外差分干涉原理13-15
• 2.2 基于米氏散射理论的数值仿真模型15-20
• 2.2.1 米氏散射理论15-17
• 2.2.2 基于Mie氏散射理论的数值仿真模型17-20
• 2.3 基于FDTD算法的数值仿真模型20-25
• 2.3.1 FDTD基本原理20-23
• 2.3.2 基于FDTD算法的数值仿真模型23-25
• 2.4 本章小结25-26
• 3 结果及分析26-43
• 3.1 基于米氏散射理论双纳米粒子散射光场的振幅和相位分布26-34
• 3.1.1 双纳米粒子球心夹角0度26-30
• 3.1.2 双纳米粒子球心夹角45度30-32
• 3.1.3 双纳米粒子球心间距300nm32-34
• 3.2 基于FDTD算法的双纳米粒子散射光场的振幅和相位分布34-42
• 3.2.1 双纳米粒子球心夹角0度34-38
• 3.2.2 双纳米粒子球心夹角45度38-40
• 3.2.3 双纳米粒子球心间距300nm40-42
• 3.3 本章小结42-43
• 4 实验验证43-49
• 4.1 正交偏振显微成像系统检测双纳米粒子43-45
• 4.1.1 实验方案选择43-44
• 4.1.2 实验材料44
• 4.1.3 实验准备及过程44-45
• 4.2 实验结果及讨论45-48
• 4.2.1 实验结果45-46
• 4.2.2 实验结果与仿真结果对比讨论46-48
• 4.3 本章小结48-49
• 结论49-51
• 参考文献51-54
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况54-55
• 致谢55-56

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本文编号：439739