基于光学超振荡的超分辨显微成像方法研究

发布时间：2020-03-29 22:24

【摘要】：近年来,在纳米信息时代背景下,光学超分辨技术的发展突飞猛进,在纳米精细加工、纳米显微成像和纳米信息存储等信息技术中,都有很重要的应用。尤其是在超分辨显微成像领域的进展更为突出,涌现出多种超分辨成像技术。其中,基于光学超振荡的超分辨成像技术不需要借助倏逝波以及荧光发射特性就可以实现远场的超分辨成像。然而,就目前基于超振荡的超分辨技术的发展来看,亚波长尺寸的加工精度要求,以及几微米到几十微米的小工作距离极大地限制了这项技术的应用;同时,目前人们对光学超振荡的超分辨成像研究方向过于单一,所有的研究都是利用超振荡原理构造超分辨的点扩散函数,亟待出现新的研究思路。针对超振荡成像技术目前存在的不足,我们将超振荡光场与普通显微成像系统相结合,采用Schelkunoff方法在进行设计,利用空间光调制器实现了超振荡光场,在免去纳米精度器件加工的同时,可以提高工作距离;提出了超振荡的超衍射极限结构光显微成像方法,在不需要非线性饱和吸收效应的情况下可以进一步提高结构光显微成像的分辨率,同时又可以解决超振荡在对透明样品成像及亚细胞结构的靶向特异性研究上的困难。本论文重点研究了基于超振荡点扩散函数法的超分辨成像方法和基于超振荡的超衍射结构光照明成像方法。(1)在超振荡基础理论研究中,以传输波理论分析了光波的频域传输特性以及光学成像系统的低通滤波特性,解释了光学成像过程具有频域带限性质;深入研究了光学超振荡的原理;给出了矢量角谱理论的超振荡光场计算方法;最后,利用纯振幅调制的空间光调制器DMD,实验上获取了局部超分辨的超振荡光场,并利用4f系统构造的空间滤波装置证明了,超振荡光场中不含有高于衍射极限的空间频率成分。(2)在基于超振荡点扩散函数法的超分辨成像方法研究中,针对点扫描和宽场两种不同的成像方式,首先研究了基于超振荡的超分辨聚焦方法,完成了小数值孔径和大数值孔径情况下的超振荡光场优化设计,分析了Schelkunoff方法中超振荡光场的能量分布,在DMD上通过改进的双像素拼接编码方式实现了光场的振幅和相位同时调制,并在此基础上进行了小数值孔径下超振荡的超分辨聚焦实验;最后,为了深入对宽场的超振荡超分辨成像本质的认识,论文通过对宽场的超振荡超分辨成像模拟,提出并分析了超振荡宽场成像在一定条件下存在的赝像问题。(3)在基于超振荡的超衍射结构光照明成像方法研究中,提出了超振荡的超衍射极限结构光方法,突破了线性结构光成像的空间分辨率极限;完成了用于结构光超分辨成像的超振荡光场设计;模拟了不同空间频率的样品在超振荡的结构光照明下的超分辨成像结果表明超振荡结构光照明成像具有突破传统线性结构光照明成像分辨极限的能力;进一步的,论文分析了ROI区域结构光照明均匀性对图像重构的影响,给出了评价均匀性的参数R及可接受的均匀度;最后,分析了该方法的空间频谱拓宽特性,并提出在超振荡结构光频率大于衍射极限2倍时频率缺失问题的解决方法。
【图文】：

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于该技术的实现。1984 年，第一台利由 Pohl 等制造并使用[5]，该显微镜通过反馈信息，并在两年后实现了高分辨成场光学显微镜由于瑞利衍射极限（raylei寸的制约，也受到入射光波长 1/2 的限成像时，传统近场光学显微镜只能采用信息。而在中红外领域，近场光学显微式近场光学显微镜利用 AFM（atomic 明，在针尖附近激发一个纳米尺度的增，由于不同物质的介电性质差异，近场采集的散射信号进行解析，就能获取到技术突破了传统孔径成像的限制，，其分。图 1-1 为近场扫描显微镜的原理图。

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Pendry 等人提出了完美透镜设想[12]，以实现左手材料的 2004 年被变成了现实，科学家利用左手材料已经成功制造出004 年２月，俄罗斯莫斯科理论与应用电磁学研究所的物理学功一种具有超级分辨率的镜片，但是他们的技术要求被观察的片，这一前提使其在实际应用中难以操作。同年，加拿大多伦造出一种左手镜片，其工作原理与具有微波波长的射线有关，频谱中的位置紧邻无线电波。其原理还是由于负折射率材料对，因此如果在近场倏逝波消失前使其耦合进这种材料，就可以传播。2005 年 Zhang Xiang 等人在美国加州大学伯克利分校于远场超透镜（far-field superlens，FSL）的超分辨显微成像周期栅状结构与传统显微镜结合的方式将超分辨信息传播到远达到 1/6 波长。超透镜成像的结果如图 1-2 所示。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH74

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