基于数字全息术的近场测量方法研究

发布时间：2020-09-21 17:55

　　对界面附近近场区域介质样品折射率、形貌及厚度等参量的高精度、高灵敏度动态测量,无论对于生物组织的高衬比度成像,还是微纳米尺度材料物性及其微弱变化过程的定量测量,均具有重要的科学意义和应用价值。数字全息术(Digital holography,DH)可实现对物场复振幅分布的全场、非接触、高精度及动态测量,基于全内反射(Total internal reflection,TIR)和表面等离子体共振(Surface plasma resonance,SPR)的分析方法可实现对界面附近近场区域介质待测参量的非侵入和高灵敏度测量,本文将二者的优势相结合,从理论和实验上研究基于TIR、SPR-DH的近场测量方法。在TIR和SPR过程中,处于棱镜、金属膜表面近场区域介质样品的相关参量及其变化,对处于远场的反射光波复振幅(包括振幅和相位)分布产生高灵敏度调制,利用DH动态测量反射光波的复振幅分布及其变化,以实现近场区域介质样品待测参量的定量测量。论文的主要工作和研究结果有:(1)提出了利用数字全息干涉术(Digital holographic interferometry,DHI)测量TIR过程中处于远场的反射光波波前的相位差分布,以实现对棱镜表面近场区域电介质样品二维折射率分布的动态测量;搭建了基于马赫-曾德干涉仪的TIR-DHI实验系统,对静态样品和样品动态过程进行了实验测量;设计了一种紧凑型物参光共路干涉结构,以此构建了基于TIR-DHI的原理性实验样机和数据处理软件,并对测量方法和系统进行了误差分析;搭建了基于TIR的数字全息显微成像系统,对棱镜表面近场区域的生物组织进行了相位成像。(2)提出了一种可实现电介质样品折射率和几何厚度分布同时动态测量的透射/全反射集成式数字全息显微术(Digital holographic microscopy,DHM),其中,利用TIR-DHM动态测量样品的二维折射率分布,利用透射式DHM同步获取光波穿过样品的相位差分布,进而计算得到样品的几何厚度分布;借助角度/偏振复用技术设计了集成式数字全息显微系统,并对静态样品和样品动态过程进行了实验测量;针对TIR过程中,物平面与照明光波光轴不垂直导致重建像产生的畸变,讨论了利用数值方法予以校正。(3)提出了基于表面等离子体共振全息显微术(Surface plasma resonance holographic microscopy,SPRHM)的近场测量方法,利用DHM测量SPR过程中处于远场的反射光波波前的复振幅分布,以实现金属膜表面近场区域电介质样品折射率微小变化的高灵敏度动态测量;设计了一种利用单个分光棱镜实现物参光共路全息图记录的棱镜耦合SPRHM实验系统,对标准样品折射率的微小变化进行了实验测量;提出了采用激发波长复用技术拓宽系统的折射率测量范围,设计了相应的实验系统,并对标准样品进行了实验验证;利用设计的单、双波长实验系统,分别实现了金属膜表面近场区域生物组织的SPR强度和相位同时成像。(4)分析了基于棱镜耦合的SPRHM系统的固有缺陷,提出将基于高数值孔径油浸物镜耦合的SPR激发装置引入到DHM中,设计并搭建了一种利用沃拉斯顿棱镜实现物参光共路全息图记录的实验系统,并分析了系统的优点、测量了系统的稳定性;建立了四层SPR结构模型,分析了基于该模型测量金属膜表面近场区域介质薄膜厚度的可行性,并对具有不同物理特性的薄膜样品进行了实验测量;建立了五层SPR结构模型,分析了基于该模型测量被覆盖介质薄膜厚度的方法,并进行了初步的实验研究。
【学位单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN26;O43
【部分图文】：

光子晶体波导,跟踪实验,体波,顶视图

西北工业大学博士学位论文场光学显微镜已被应用于纳米尺度的光学成像测[10]，以及生物组织的原位观测[11]等。型扫描近场光学显微术学显微镜仅能获得物场的超分辨振幅信息，扫描近场光学显微术被开发[12]。利用该显微技局域相位及群速度（测量系统如图 1.1 所示）点及拓扑缺陷[15]，以及亚波长的磁场与电场分

电场分布,银膜,透镜,倏逝波

中的局域相位及群速度（测量系统如图 1.1 所示）[13]振奇点及拓扑缺陷[15]，以及亚波长的磁场与电场分布1 (a)光子晶体波导中脉冲跟踪实验；(b)被测光子晶体波导顶视工材料的“超透镜”成像技术endry 等提出基于负折射率材料的“完美透镜”可以近场区域的倏逝波）聚焦成像[17]。Zhang 等设计了银）[18]、弯曲的周期性结构（如图 1.2(b)所示）[19]、亚倏逝波不衰减反而增强，从而实现了光学超分辨成像

倏逝波,光纤,近场区域,近场测量

(a)微纳光纤产生的倏逝波[23]、(b)TIR 棱镜表面的倏逝波[24]和(c)金属等离激元[25]照明以实现光学超分辨成像的几种近场测量方法，均是将位于近场区域包含物场超分的结构或途径耦合到远场，再结合远场的光学显微成像手段特定的应用场景具有特殊的测量目的，本文的主要目的是，、高分辨测量界面附近近场区域物场光学性质的方法。反射的近场测量方法近近场区域物场光学性质的动态监控，在分析化学、生物分为重要。1981 年，Axelrod 等提出的全内反射荧光显微术rescence microscopy, TIRFM），利用 TIR 产生的倏逝波照明样内的生物荧光团受激发产生荧光（如图 1.4 所示），再结合微成像[26]。此后，该显微技术在生物样品监测等领域得到

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