基于光子纳米喷流效应的微透镜超分辨成像

发布时间：2020-07-17 08:31

【摘要】：由于受到衍射极限的限制,传统的显微镜不能分辨尺寸小于二分之一波长的物体。近来研究表明,微透镜辅助的超分辨显微技术可以有效地获得超分辨成像,并受到科学界的高度重视。本论文在此研究背景下,从微透镜产生的光子纳米喷流特性出发,在以下几个方面对微透镜的超分辨成像特性及其成像机理进行了研究:1.以线状和点状物体作为观察样品,研究不同尺寸高折射率钛酸钡玻璃微球透镜的成像特性,特别是当微球直径增大,成像特性向几何光学过渡的过程。实验表明,线状样品和点状样品的超分辨图像和微球透镜的干涉环图像都可以通过调节焦平面的位置获得,且这两种属性均依赖于微球直径的变化。随着微球直径的增加,特别是当接近几何光学尺度时,干涉环更加清晰,但微球的分辨能力降低直至消失。理论模拟表明,透过全浸没的高折射率微球的光束可聚焦在微球透镜的底部,形成“光子纳米喷流”,并对微球成像特性产生重要影响。在本文的测试范围内,微球直径增大,微球透镜超分辨能力降低,这与其光子纳米喷流的半最大值全宽(full-width-half-maximum,FWHM)和焦点位置有关。2.研究了高折射率微球透镜与样品保持一定的空间距离时的成像特性,并与低折射率微球透镜的成像特性进行了比较。实验表明,低折射率的二氧化硅和高折射率的钛酸钡玻璃微球透镜,在空间上与样品表面分离时,仍然具有超分辨成像能力。结合理论分析得出,通过不同的浸没方式,使不同折射率的微球透镜在其阴影区产生光子纳米喷流,这能够为其超分辨成像能力提供保证;在光入射方向上,低折射率的微球比高折射率微球的光子纳米喷流持续长度略长,从而其保持亚波长分辨的空间距离也略长;由于钛酸钡玻璃微球的折射率高,成像尺寸大,在成像上表现出大的放大率和可视范围。3.研究了介质平面波导耦合的微球透镜的成像特性。所用的介质平面波导结构由一个低折射率的二氧化硅层和一个高折射率的SU-8层组成。实验结果表明,刻录光碟的数据存储点可以以高的图像对比度被分辨,表明该平面介质波导结构可以有效的提高微球透镜对物体高频成分的耦合效率。在波导结构中,入射波和衬底层的反射波相互叠加形成驻波,由于驻波的存在,使得微球产生的光子纳米喷流的场强度衰减较缓,传输距离增强,有效地保持了微球透镜的超分辨能力。4.基于光子纳米喷流理论和软光刻技术,设计并制备了一种微透镜阵列薄膜。该微透镜阵列作为一种薄的弹性薄膜,可以移动并粘贴于测试样品的表面,实现多个微透镜同时对亚波长尺寸物体的成像,从而可以有效地提高微透镜成像的观察范围。理论分析表明,该微透镜阵列形成的光子纳米喷流沿入射方向扩展,可以激发样品产生更多近场高频成分。光子纳米喷流的位置,强度和束腰尺寸由入射光的波长、微透镜形状和空间排列以及周围环境的折射率共同决定。
【学位授予单位】：南京师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH74
【图文】：

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直至达到可分辨的程度，然后就可以被传统的显微镜所接收［１６‘＾。实验证逡逑实：在３６５ｎｍ波长的光照下，通过该结构，可以成功的分辨空间间隔为１５０ｎｍ，逡逑线宽为３５ｎｍ的线条。实验结构如图１．邋３所示。逡逑Ｖ，—逡逑ｍｉｌｌ：逦＾逦：逡逑图丨．３基于多层膜结构的远场超分辨显微技术邋引自文献［１６］逡逑１．２．邋２基于荧光的超分辨显微成像技术逡逑基于荧光的超分辨显微技术主要包括受激发射损耗显微技术（ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ逡逑ｅｍｉｓｓｉｏｎ邋ｄｅｐｌｅｔｉｏｎ，邋ＳＴＥＤ）和单分子定位劳光显微技术。１９９４年，德国科学家逡逑Ｓ．邋Ｈｅｌｌ提出了邋ＳＴＥＤ模型，该模型指出先将一束激发光聚焦成普通的衍射受限光逡逑斑，使该光斑内的荧光分子处于激发态；然后再嵌套一个激发光形成的中心为暗逡逑斑的环形聚焦光斑，该光斑可以抑制处于激发态荧光分子的反射，从而得到一个逡逑３逡逑

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逑小于衍射极限的荧光点，通过逐点扫描形成超分辨的显微图像２０００年，该逡逑技术被实验所验证［１９］，实验装置与结果如图１．邋４所示。由于ＳＴＥＤ技术可以通过逡逑不断提高抑制光的强度来提高显微成像的分辨率，所以可以分辨非常精细的物体逡逑结构，目前其分辨率己经达到了邋２．邋４ｎｍ。逡逑WW＿逡逑图１．４基于ＳＴＥＤ的荧光超分辨显微技术邋引自文献ｔｌ９Ｊ逡逑单分子定位超分辨显微技术，主要依靠视场中单个荧光分子的发光来准确的逡逑定位该荧光分子的位置，定位的精度达到纳米的量级，通过拟合算法生成超分辨逡逑衍射图像。１９９７年，Ｗ．Ｅ．Ｍｏｅｒｎｅｒ？发现绿色荧光蛋白的发光，可以随意的开启或逡逑关闭，这为单分子定位超分辨显微技术提供了可能［２？。２００６年，Ｅ．Ｂｅｔｚｉｇ提出逡逑了激光激活定位显微技术。如图１．５所示，该技术先用绿色荧光蛋白来标记生物逡逑蛋白分子

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