级联型微球透镜超分辨成像的特性研究

发布时间：2020-03-28 22:18

【摘要】：基于传统光学显微镜能观察微细物体的能力,显微镜被广泛应用于众多学科的科研研究中。由于Abbe衍射极限的限制,用可见光作光源时传统光学显微镜的分辨率约为λ/2。为了分辨亚衍射极限的物体,许多超分辨成像技术被相继提出。在这些方法中,微球透镜技术在白光照射下就能简单和有效的获取超分辨图像,这吸引了众多科研小组的关注。在微球透镜技术中,常用改变相对折射率的方法来增加样品的成像放大率,并且只通过研究单个微球透镜的成像特性来探究微球超分辨成像的工作机理。在不改变相对折射率的条件下,本文设计了级联型微球透镜来改善微球透镜的超分辨能力并对其成像特性进行研究。本文的主要研究内容如下:1.仿照几何光学透镜组,设计了一种围球型级联微球透镜,并且研究了这种级联微球透镜和单个二氧化硅(SiO2)微球透镜的成像特性。采用酒精作为浸没介质,从实验结果得到级联微球透镜的放大率是单个微球透镜的1.44×,但是视场变小。研究结果表明:该级联微球透镜的两级都起到了放大作用,提高了低折射率SiO2微球的放大率;能对观察样品成像的级联微球透镜必须是其焦点的位置要靠近观察样品表面;只有当级联微球透镜结构的两级微球的中心在一条直线上,才能得到中间亮且清晰的像;第一级960 nm聚苯乙烯(PS)微球对光束的汇聚作用,限制了级联微球透镜的视场范围。2.提出了一种制备过程更简单、可重复性更高的甩胶型级联微球透镜,研究了这种级联微球透镜和单个SiO2微球透镜的成像特性。采用SU8-2002光刻胶作为浸没介质,研究发现该级联微球透镜与单个SiO2微球相比,其视场减小但放大率增大至1.38×。此外,实验结果中得到了一个特别的现象,该级联微球透镜呈现出两种成像结果即中间区域有条纹且放大率增大和外围区域有条纹且放大率无明显变化。研究结果表明:甩胶型的级联微球透镜制备工艺更简单、可重复性更高;能起到放大作用的级联微球透镜其两级微球球心必须在一条线上;微球的半高全宽值越小,超分辨能力越强。3.将甩胶型级联结构应用于高折射率的钛酸钡(BTG)微球,然后分别研究了 SU8-2002光刻胶,镜头浸没油,聚二甲基硅氧烷(PDMS),酒精和超纯水水五种介质浸没下的单个BTG微球和甩胶型级联高折射率微球透镜的成像特性。理论和仿真分析表明相对折射率在1.2-1.45之间时,随着相对折射率的增加,成像放大率增大,焦点距离样品表面变近,半高全宽值变小。综合考虑了五种浸没介质的特性,研究发现PDMS是级联型高折射率微球透镜的最佳浸没介质,实验结果显示这种甩胶型级联微球透镜放大率是单个BTG微球的1.35×,其纳米喷流的束腰更细,超分辨能力更强。
【图文】：

条纹,超分辨,成像,实验装置

多孔氧化铝样品的成像放大率高达８ｘ。图Ｕ邋（ａ）是实验装置图，光源来自卤素灯逡逑（峰值波长为６００邋ｎｍ）。ＳｉＯ：微球透镜对观察样品蓝光光碟条纹和５０邋ｎｍ多孔氧化错逡逑的成像如图１．１邋（ｂ）所示。逡逑图１．１实验装置和超分辨成像图引自文献［３１］逡逑２００６年，Ｃｈｅｎ等人提出超分辨成像机理与入射光在微球背光区形成的超强聚焦逡逑光场即“光子纳米喷流”有关［４（＞］。Ｗａｎｇ小组利用光子纳米喷流对Ｓｉ０２微球的成像特逡逑性进行分析。仿真与数值分析如图１．２所示，研究发现ＳｉＣＸ微球在近场对亚衍射极限逡逑的物体具有强聚焦作用，能激发更多的倏逝波耦合进透镜，倏逝波在微球内部转化成逡逑２逡逑

对比图,微球透镜,光碟,蓝光

＿１逦０邋ｘ／ａ邋１逡逑图１．２微球透镜的仿真图引自文献ｐｉ］逡逑２０１１年，，浙大的Ｈａｏ等人在酒精半浸没的条件下通过３的二氧化硅微球观察逡逑蓝光光碟，实现了超分辨成像［３２＿３３１。从实验中发现，直接使用传统光学显微镜无法成逡逑像，无浸没介质时的微球透镜成像极其模糊，而酒精半浸没后微球透镜的对比度明显逡逑提高但是成像放大率从２．５ｘ降至１．４ｘ。成像对比图如图１．３所示。逡逑■媭”逡逑（ａ）逦（ｂ）逡逑Ａ逡逑严逦ＷＪ邋，逦１逡逑ＭＢ逦Ｐ逡逑１ｐｍ逦１ｐｍ１逡逑（ｃ）逦（ｄ）逡逑图１．３空气中与半浸没条件下微球透镜对蓝光光碟的成像引自文献［３２］逡逑Ｈａｏ小组结合几何光学来分析近场光学的成像原理，分析认为衍射极限的限制使逡逑倏逝波无法传输到远场，但是微球外部的浸液与蓝光光碟之间形成广？个谐振腔，谐逡逑振增强的作用使倏逝波在微球内部多次反射增强，提高了微球的耦合效率，促进了微逡逑球的超分辨能力。如图１．４是微球透镜的成像原理图。逡逑３逡逑
【学位授予单位】：南京师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH74

【参考文献】