微透镜的光子纳米聚焦与超分辨成像的研究

发布时间：2020-06-08 14:51

【摘要】：光学显微镜被广泛应用于生物、医疗及工业等领域,但其成像分辨率会受到衍射极限的限制。显微镜的横向分辨率只能达到可见光波长的一半,即200 nm,一般通过增大数值孔径来提高成像分辨率,但这也产生了一定的像差。所以,经典的光学显微镜的发展已经到达了瓶颈期阶段。借助微透镜辅助光学显微镜成像,可以提高成像分辨率,使我们能够观察到带有物体精细结构信息的像。电磁波照射到微透镜后所产生的光子纳米聚焦场被认为是微透镜实现高分辨的显微成像的因素之一。光子纳米聚焦效应是一种在微透镜表面附近所形成的强大的光子聚焦散射场,可以增大实时观察到病毒或者生物分子的机率。目前,如何实现高分辨率成像是业界研究的一个热点问题。本文的主要研究工作如下:1.详细介绍了离散偶极子近似(DDA,Discrete Dipole Approximation)数值算法的散射仿真计算流程,以及剖分的精确度。DDA是一种可以计算任意光束与任意形状粒子相互作用的电磁散射和吸收特性的数值算法。ADDA软件是DDA数值算法的光散射仿真模拟器。借助ADDA,分别计算了平面波入射不同直径的微球透镜在不同单位波长偶极子个数下的场分布,并与Mie理论解析算法进行了对比,分析研究了球形透镜最大强度位置相对误差和最大强度相对误差。结果表明,对比DDA数值算法与Mie理论解析算法下,球形透镜的前向散射强度基本一致。并且针对本文中的电磁仿真,确定了最佳的每单位波长偶极子的个数为20。2.基于DDA数值算法,分别模拟计算了平面波、高斯波束照射到微球透镜、微椭球透镜、多个微球透镜、多个微椭球透镜的内场及近场区域分布,分析了电磁散射特性。重点研究了微透镜的光子纳米聚焦特性。在高斯波束入射下计算电场的分布时,分别讨论了不同波束中心、束腰半径的高斯波束作用于微透镜的内场及近场分布,及光子纳米聚焦特性。高斯波束照射到微透镜上时,会随着高斯波束的束腰半径的增大,电磁散射场相似于平面波作用于微透镜。对于阵列微透镜的电场仿真计算,在微透镜表面形成的光子纳米聚焦区域可作为新的光束作用于后方微透镜。同时也对其它典型形状的微透镜进行了电磁计算。本文选取了三种形状的微透镜,分别是圆台形微透镜、锥形微透镜、壶形微透镜。计算且研究了在平面波照射下作用于三种形状微透镜的场分布。结果表明,微透镜对波束具有汇聚的作用。微透镜的尺寸、折射率和入射光波长、外部介质折射率等因素对微透镜的光子纳米聚焦区域具有一定程度上的影响。3.在显微成像实验平台的搭建过程中,对成像操作流程以及待测样品选取等方面进行了详细的叙述。显微成像的过程分为三部分,即样品准备、显微成像、数据采集。待测样品选取蓝光光碟。微透镜选取具有聚焦特性、折射率低的二氧化硅微球透镜。采用光学显微镜与直径分别是为3?m和5?m的二氧化硅微球透镜,对表面处理后的蓝光光碟进行显微成像,并且对蓝光光碟的显微成像现象进行了观察与验证。实验结果表明,直径越小的二氧化硅微球透镜对蓝光光碟的显微成像的分辨率更高。基于以上的实验数据结果,与理论上的放大倍数进行了对比,结果表明,二氧化硅微球透镜的实验上的成像放大倍数高于理论上的成像放大倍数。
【图文】：

模型图,球形粒子,模型图,剖分

第二章离散偶极子近似法第二章离散偶极子近似法积分法包含三大部分，分别是离散偶极子近似法9]。离散偶极子近似（DDA）数值算法是一种任意入射波束的电磁（光）散射特性的研究方散射问题公式化的基本实践，将目标散射体极子[73]。DDA 把点偶极子作为理论基础，将目堆积，即点阵列的叠加。如图 2.1 所示为球形粒

示意图,环境配置,流程,示意图

所以利用 ADDA 软件模拟仿真计算的粒子尺寸的大小。一般情况下，采用超级计算机对大粒子或者超大时间成本，并且也保证了计算机内存资源的充足。ADDA 基于 DDA 数值算法，所以对于目标粒子的剖分问题折射率、外部介质的折射率，，以及粒子的等效体积尺寸等DA 也会对粒子的剖分精度存在一定的误差。如果考虑到射粒子的等效体积尺寸超过 10 m，剖分精度误差则会显特定精度要求的估计仿真计算，可以改变剖分精度，即从得到。目前，软件 ADDA 广泛地适用于星际尘埃、大气颗粒等领域。并且最重要的是由于软件 ADDA 的易移植的。级的粒子，通过开源软件 ADDA串行及CPU并行进行仿真DA 的运行平台选择在 CentOS Linux 操作系统下，目的是过程方便、快捷且安全。
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP391.41;O441

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