基于贝塞尔光束和相位成像的非线性光学显微

发布时间：2017-09-03 08:33

  本文关键词：基于贝塞尔光束和相位成像的非线性光学显微

  更多相关文章： 非线性光学显微 双光子显微 贝塞尔光束 相位成像 相干反斯托克斯拉曼散射显微

【摘要】：非线性光学显微成像是基于光学非线性效应产生的信号对比机制对微观物体进行成像的显微方法。该方法具有化学组分选择性,能对特定的分子、化学键进行高衬度成像。非线性过程对激发光强的非线性依赖关系,使得非线性光学显微具有较高的空间分辨能力和成像深度,在生物医学研究中发挥着重要作用。本论文主要研究基于特殊照明和相位成像的非线性光学显微方法,以期望进一步提高非线性光学显微的成像深度并抑制背景噪声,主要完成了以下研究工作:1)理论研究了基于贝塞尔光束的双光子荧光显微成像方法。将角谱理论和散射介质分层传输模型相结合,提出了一种双光子荧光显微过程的模拟方法。利用该方法研究贝塞尔光束的产生、在散射介质中传输及其激发双光子荧光和荧光收集的整个过程。模拟结果表明,基于贝塞尔光束的双光子荧光显微技术具有较高的成像深度和成像速度。2)实验上采用空间光调制器产生了参数可调节的贝塞尔光束,实现了对贝塞尔光束中心光斑大小及其焦深长度等实验参数的实时调节。同时,采用散射介质分层传输模型和角谱理论相结合的方法,研究了实验参数对贝塞尔光束传输过程中中心光斑自愈合快慢的影响,得出了一系列对实验具有指导意义的结果。3)提出一种基于贝塞尔光束用作泵浦光(Pump beam)和高斯光束用作斯托克斯光(Stokes beam)的相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)显微方法。通过相位成像方法获得远场CARS的复振幅分布,根据逆矩阵法可以获取样品的三维结构分布。基于该特殊的照明方式,CARS显微具有较长的焦深和轴向分辨能力。4)研究了两种单光束相位成像方法。一种是基于频谱调制的相衬成像方法,该方法首次实现了相衬图样的衬度可调,而且还可以对物体的相位信息进行定量测量。另一种是基于结构照明的单光束相位成像方法,该方法将结构照明和单光束相位成像技术相结合,实现对相位物体(如透明生物样品)的分辨率增强成像。5)提出一种基于相位成像的宽场CARS显微去噪声方法。通过记录不同轴向位置处CARS信号的强度分布,采用光传输方程和基于迭代的相位成像方法获取宽场CARS成像的相位分布。利用共振CARS和非共振背景信号在相位上的差异,实现了对背景噪声的抑制。由于该方法可在保持原有CARS显微装置的基础上有效抑制背景噪声,因此具有良好的应用前景。
【关键词】：非线性光学显微 双光子显微 贝塞尔光束 相位成像 相干反斯托克斯拉曼散射显微
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(西安光学精密机械研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O437
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-7
• ABSTRACT7-9
• 专业名词中英文对照表9-13
• 第一章 绪论13-26
• 1.1 光学显微技术概况13-16
• 1.2 非线性光学显微的现状和发展趋势16-21
• 1.2.1 双光子荧光显微17
• 1.2.2 二次谐波显微17-18
• 1.2.3 相干反斯托克斯拉曼散射显微18-19
• 1.2.4 非线性光学显微技术存在的不足和研究热点19-21
• 1.3 非线性光学显微的传统研究方法21-23
• 1.3.1 几何光学方法21-22
• 1.3.2 物理光学方法22-23
• 1.4 本论文的目的和意义23-24
• 1.5 论文的主要内容和章节安排24-26
• 第二章 基于贝塞尔光束的双光子荧光显微理论研究26-46
• 2.1 双光子荧光显微基础简介26-29
• 2.1.1 工作原理-共聚焦荧光显微26-27
• 2.1.2 工作原理-双光子荧光显微27
• 2.1.3 双光子荧光显微的特点27-28
• 2.1.4 双光子荧光显微的应用28-29
• 2.2 贝塞尔光束29-30
• 2.3 基于贝塞尔光束的双光子荧光显微30-44
• 2.3.1 理论研究方法简介31-34
• 2.3.2 成像过程的数值模拟34-44
• 2.4 小结44-46
• 第三章 贝塞尔光束在散射介质中传输的实验研究46-59
• 3.1 空间光调制器简介46-49
• 3.1.1 概述46-47
• 3.1.2 液晶空间光调制器的工作原理47-49
• 3.2 贝塞尔光束的产生及其参数控制49-53
• 3.2.1 贝塞尔光束的产生50-52
• 3.2.2 贝塞尔光束的参数控制52-53
• 3.3 贝塞尔光束在散射介质中传输53-58
• 3.3.1 数值模拟53-55
• 3.3.2 实验研究55-58
• 3.4 小结58-59
• 第四章 贝塞尔光束在CARS显微中的应用研究59-77
• 4.1 CARS显微成像概论59-62
• 4.1.1 CARS显微成像的基础知识59-60
• 4.1.2 CARS显微装置60-61
• 4.1.3 CARS显微应用61-62
• 4.2 基于贝塞尔光束的CARS显微成像研究62-75
• 4.2.1 CARS成像实验装置介绍63-65
• 4.2.2 CARS成像计算方法介绍65-68
• 4.2.3 CARS成像过程理论和实验研究68-71
• 4.2.4 基于贝塞尔光束的CARS成像特点71-75
• 4.3 小结75-77
• 第五章 单光束相位成像技术研究77-91
• 5.1 相位成像概况77-79
• 5.2 条纹对比度可调相位相衬显微79-84
• 5.2.1 实验方法及原理79-81
• 5.2.2 实验结果和讨论81-84
• 5.3 基于结构照明单光束相位成像84-90
• 5.3.1 实验装置84-85
• 5.3.2 相位再现方法85-89
• 5.3.3 相位成像分辨率的提高89-90
• 5.4 小结90-91
• 第六章 宽场CARS相位成像去背景研究91-106
• 6.1 CARS显微成像中的背景91-93
• 6.1.1 CARS显微成像中的背景噪声91-93
• 6.1.2 常见CARS去背景方法93
• 6.2 宽场CARS相位成像去背景理论93-98
• 6.2.1 宽场CARS相位成像原理93-96
• 6.2.2 TIE方程简介96-97
• 6.2.3 迭代相位获取法简介97-98
• 6.3 基于相位成像的CARS去背景研究-数值模拟98-101
• 6.3.1 基于TIE方法的CARS相位成像98-100
• 6.3.2 基于迭代相位获取法的CARS相位成像100-101
• 6.4 基于相位成像的CARS去背景研究-实验研究101-104
• 6.4.1 实验装置101-102
• 6.4.2 基于TIE方法相位成像的CARS去背景研究102-103
• 6.4.3 基于迭代相位获取法相位成像的CARS去背景研究103-104
• 6.5 小结104-106
• 第七章 总结和展望106-108
• 参考文献108-126
• 作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果126-128

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