随机介质聚焦技术的研究及其在超分辨领域的应用
发布时间：2020-07-17 09:10
【摘要】：随着生物技术,材料科学,医学成像,星体探测等多个领域的快速发展,传统光学领域中的分辨率水平愈来愈难以满足人们的需求,严重限制了这些应用在更高分辨率或更小焦斑尺寸方向上的发展,主要原因则在于衍射极限的存在让成像系统的分辨率受到限制。而如何突破衍射极限,以实现光学超分辨成为了科研工作者为之奋斗和不断追求的目标。本文从光学原理出发,分析了实现超衍射极限聚焦的方法,然后对基于随机介质的超衍射极限聚焦进行了进一步研究。首先在国内外现有的研究基础上,对超分辨技术的方法和应用进行介绍,再分析了随机介质引入超分辨技术为成像质量带来的改善以及原因。接着利用光学领域知识对随机介质进行了系统描述,同时还分析了光在传输介质中的光传波模型,并且介绍了其空域和空频域格林函数的形式,基于入射光和出射光通道的关系,对其进行离散化表示,构建光传输矩阵模型。其次,进一步钻研了基于随机介质的超分辨聚焦技术,对其原理方法和性能进行了仿真与分析,而且通过光学实验证实了方法的正确性,同时还对比了基于传输矩阵的聚焦技术和反馈控制调节的聚焦技术的优缺点。在以上研究的基础上,本文提出了一种基于相移数字全息法的随机散射介质聚焦方法,利用相移算法提取相位信息,构建波前,结合相位共轭补偿原理实现超衍射极限聚焦,明显的降低了实验操作的复杂度,减轻实验过程中耗费的人力和时间。同时,对该方法进行了验证性的仿真和实验,并且对几种不同相移算法获得的聚焦实验结果进行比较和分析。最后,对比加入散射介质以及未加入散射介质后的光学聚焦效果,证明了该方法应用于超分辨技术的可行性。除此之外,本文还针对实验成果中的误差,分析其来源并给出了一定建议。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O436
【图文】：
图 1-1 STED 系统结构图Fig.1-1 STED System structure1.3 利用随机介质实现超分辨聚焦1.3.1 散射现象概述光的散射是指光通过不均匀的介质时，其中一部分的光束会偏离原方向，变成散射光波，从侧边也能够看到光的一种现象。如图 1.2 所示，光波在随机介质中传输时，因为介质内部散射颗粒分布无序[14]，光波受到多重散射导致出射光波矢发生变化，光强和相位均会产生一定变化[15, 16]。随机介质常采用 ZnO，GaP，GaAs 等构成的散射层。自由传播路程（Transport free path）是指，在介质中，光经过某一散射颗粒后到达下一散射颗粒前，所通过的路径。由于光波在散射介质中通常要被散射多次，平均传播自由程（Transport mean free path）就是描述进入介质到完全丧失原入射方向性的所通过的路径[17]。带有多重散射作用的强散射随机介质的厚度通常为平均自由程的 5 倍以上。然而，虽然出射光场看似不包含任何原有信息，但空间散
图 1-2 入射光经过随机散射介质Fig.1-2 The incident light passes through a random scattering medium饰未停止过对散射现象的研究，并且希望能将散射现象和其他90 年代，法国的 Mathias Fink 教授发现可以利用散射实现超国际上众多研究人员对于利用随机介质进行超分辨聚焦和射介质超分辨技术通常分为三种，一是采用波前补偿的办法形，使之能抵消散射介质带来的作用，以实现超分辨聚焦；用相位共轭镜来补偿散射光的相位，从而实现超分辨聚焦；输特性，通过测量随机介质传输矩阵，重建出原始光场信息限成像。iversity of Twente 的学者们成功通过波前修饰的办法，实现该方法实际是利用反馈控制调节的方法，通过空间光调制
能够对样本无损伤的超衍射极限聚焦。但这种基于 SLM 的超分辨方需要采用优化算法进行入射光的相位调制，而得到最佳的波前调制，将耗费较时间。并且进行实验之前，基本上需要耗费数个小时让成像系统稳定，同时，边的空气浮动会令反馈的信号发生起伏，需要保证实验平台周围气流的稳定。1.3.3 光学相位共轭相位共轭波是指相位共轭于入射波的光波，数学角度上看，就是对复振幅行了复共轭运算：E( r,t)E(r,t)c （1-1）其中，cE 沿 E 的反方向传输，二者在具有相同波前。受益于光学全息术的进步，光折变晶体在聚焦成像的技术上起到了至关重的作用[23,24]。图 1.3 为 OPC（Optical Phase Conjugation）的系统原理图，如图所示在光学全息术中，散射光场以全息的方式被铌酸锂全息板记录，再利用参考光相位共轭光作为读出光，可获得散射光的相位共轭光场，再令该相位共轭光再通过介质，在原入射端出射，可以形成一个优秀的聚焦光斑。
本文编号：2759247
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O436
【图文】：
图 1-1 STED 系统结构图Fig.1-1 STED System structure1.3 利用随机介质实现超分辨聚焦1.3.1 散射现象概述光的散射是指光通过不均匀的介质时，其中一部分的光束会偏离原方向，变成散射光波，从侧边也能够看到光的一种现象。如图 1.2 所示，光波在随机介质中传输时，因为介质内部散射颗粒分布无序[14]，光波受到多重散射导致出射光波矢发生变化，光强和相位均会产生一定变化[15, 16]。随机介质常采用 ZnO，GaP，GaAs 等构成的散射层。自由传播路程（Transport free path）是指，在介质中，光经过某一散射颗粒后到达下一散射颗粒前，所通过的路径。由于光波在散射介质中通常要被散射多次，平均传播自由程（Transport mean free path）就是描述进入介质到完全丧失原入射方向性的所通过的路径[17]。带有多重散射作用的强散射随机介质的厚度通常为平均自由程的 5 倍以上。然而，虽然出射光场看似不包含任何原有信息，但空间散
图 1-2 入射光经过随机散射介质Fig.1-2 The incident light passes through a random scattering medium饰未停止过对散射现象的研究，并且希望能将散射现象和其他90 年代，法国的 Mathias Fink 教授发现可以利用散射实现超国际上众多研究人员对于利用随机介质进行超分辨聚焦和射介质超分辨技术通常分为三种，一是采用波前补偿的办法形，使之能抵消散射介质带来的作用，以实现超分辨聚焦；用相位共轭镜来补偿散射光的相位，从而实现超分辨聚焦；输特性，通过测量随机介质传输矩阵，重建出原始光场信息限成像。iversity of Twente 的学者们成功通过波前修饰的办法，实现该方法实际是利用反馈控制调节的方法，通过空间光调制
能够对样本无损伤的超衍射极限聚焦。但这种基于 SLM 的超分辨方需要采用优化算法进行入射光的相位调制，而得到最佳的波前调制，将耗费较时间。并且进行实验之前，基本上需要耗费数个小时让成像系统稳定，同时，边的空气浮动会令反馈的信号发生起伏，需要保证实验平台周围气流的稳定。1.3.3 光学相位共轭相位共轭波是指相位共轭于入射波的光波，数学角度上看，就是对复振幅行了复共轭运算：E( r,t)E(r,t)c （1-1）其中，cE 沿 E 的反方向传输，二者在具有相同波前。受益于光学全息术的进步，光折变晶体在聚焦成像的技术上起到了至关重的作用[23,24]。图 1.3 为 OPC（Optical Phase Conjugation）的系统原理图，如图所示在光学全息术中，散射光场以全息的方式被铌酸锂全息板记录，再利用参考光相位共轭光作为读出光，可获得散射光的相位共轭光场，再令该相位共轭光再通过介质，在原入射端出射，可以形成一个优秀的聚焦光斑。
【参考文献】
相关期刊论文 前2条
1 杨虹;黄远辉;龚昌妹;吴腾飞;邵晓鹏;;散射介质超衍射极限技术研究进展[J];中国光学;2014年01期
2 姚保利;雷铭;薛彬;郜鹏;严绍辉;赵惠;赵卫;杨建峰;樊学武;邱跃洪;高伟;赵葆常;李英才;;高分辨和超分辨光学成像技术在空间和生物中的应用[J];光子学报;2011年11期
相关博士学位论文 前2条
1 程琳;远场超分辨率成像与亚波长聚焦的研究[D];兰州大学;2011年
2 徐先锋;广义相移数字全息干涉术相移提取及波前再现算法的理论及实验研究[D];山东大学;2008年
相关硕士学位论文 前2条
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2 黄远辉;光学超衍射极限成像中随机介质传输矩阵获取方法研究[D];西安电子科技大学;2013年
本文编号：2759247
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