對界面附近近場區(qū)域介質(zhì)樣品折射率、形貌及厚度等參量的高精度、高靈敏度動態(tài)測量,無論對于生物組織的高襯比度成像,還是微納米尺度材料物性及其微弱變化過程的定量測量,均具有重要的科學意義和應用價值。數(shù)字全息術(Digital holography,DH)可實現(xiàn)對物場復振幅分布的全場、非接觸、高精度及動態(tài)測量,基于全內(nèi)反射(Total internal reflection,TIR)和表面等離子體共振(Surface plasma resonance,SPR)的分析方法可實現(xiàn)對界面附近近場區(qū)域介質(zhì)待測參量的非侵入和高靈敏度測量,本文將二者的優(yōu)勢相結(jié)合,從理論和實驗上研究基于TIR、SPR-DH的近場測量方法。在TIR和SPR過程中,處于棱鏡、金屬膜表面近場區(qū)域介質(zhì)樣品的相關參量及其變化,對處于遠場的反射光波復振幅(包括振幅和相位)分布產(chǎn)生高靈敏度調(diào)制,利用DH動態(tài)測量反射光波的復振幅分布及其變化,以實現(xiàn)近場區(qū)域介質(zhì)樣品待測參量的定量測量。論文的主要工作和研究結(jié)果有:(1)提出了利用數(shù)字全息干涉術(Digital holographic interferometry,DHI)測量TIR過程中處于遠場的反射光波波前的相位差分布,以實現(xiàn)對棱鏡表面近場區(qū)域電介質(zhì)樣品二維折射率分布的動態(tài)測量;搭建了基于馬赫-曾德干涉儀的TIR-DHI實驗系統(tǒng),對靜態(tài)樣品和樣品動態(tài)過程進行了實驗測量;設計了一種緊湊型物參光共路干涉結(jié)構(gòu),以此構(gòu)建了基于TIR-DHI的原理性實驗樣機和數(shù)據(jù)處理軟件,并對測量方法和系統(tǒng)進行了誤差分析;搭建了基于TIR的數(shù)字全息顯微成像系統(tǒng),對棱鏡表面近場區(qū)域的生物組織進行了相位成像。(2)提出了一種可實現(xiàn)電介質(zhì)樣品折射率和幾何厚度分布同時動態(tài)測量的透射/全反射集成式數(shù)字全息顯微術(Digital holographic microscopy,DHM),其中,利用TIR-DHM動態(tài)測量樣品的二維折射率分布,利用透射式DHM同步獲取光波穿過樣品的相位差分布,進而計算得到樣品的幾何厚度分布;借助角度/偏振復用技術設計了集成式數(shù)字全息顯微系統(tǒng),并對靜態(tài)樣品和樣品動態(tài)過程進行了實驗測量;針對TIR過程中,物平面與照明光波光軸不垂直導致重建像產(chǎn)生的畸變,討論了利用數(shù)值方法予以校正。(3)提出了基于表面等離子體共振全息顯微術(Surface plasma resonance holographic microscopy,SPRHM)的近場測量方法,利用DHM測量SPR過程中處于遠場的反射光波波前的復振幅分布,以實現(xiàn)金屬膜表面近場區(qū)域電介質(zhì)樣品折射率微小變化的高靈敏度動態(tài)測量;設計了一種利用單個分光棱鏡實現(xiàn)物參光共路全息圖記錄的棱鏡耦合SPRHM實驗系統(tǒng),對標準樣品折射率的微小變化進行了實驗測量;提出了采用激發(fā)波長復用技術拓寬系統(tǒng)的折射率測量范圍,設計了相應的實驗系統(tǒng),并對標準樣品進行了實驗驗證;利用設計的單、雙波長實驗系統(tǒng),分別實現(xiàn)了金屬膜表面近場區(qū)域生物組織的SPR強度和相位同時成像。(4)分析了基于棱鏡耦合的SPRHM系統(tǒng)的固有缺陷,提出將基于高數(shù)值孔徑油浸物鏡耦合的SPR激發(fā)裝置引入到DHM中,設計并搭建了一種利用沃拉斯頓棱鏡實現(xiàn)物參光共路全息圖記錄的實驗系統(tǒng),并分析了系統(tǒng)的優(yōu)點、測量了系統(tǒng)的穩(wěn)定性;建立了四層SPR結(jié)構(gòu)模型,分析了基于該模型測量金屬膜表面近場區(qū)域介質(zhì)薄膜厚度的可行性,并對具有不同物理特性的薄膜樣品進行了實驗測量;建立了五層SPR結(jié)構(gòu)模型,分析了基于該模型測量被覆蓋介質(zhì)薄膜厚度的方法,并進行了初步的實驗研究。
【學位單位】：西北工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TN26;O43
【部分圖文】：

西北工業(yè)大學博士學位論文場光學顯微鏡已被應用于納米尺度的光學成像測[10]，以及生物組織的原位觀測[11]等。型掃描近場光學顯微術學顯微鏡僅能獲得物場的超分辨振幅信息，掃描近場光學顯微術被開發(fā)[12]。利用該顯微技局域相位及群速度（測量系統(tǒng)如圖 1.1 所示）點及拓撲缺陷[15]，以及亞波長的磁場與電場分

中的局域相位及群速度（測量系統(tǒng)如圖 1.1 所示）[13]振奇點及拓撲缺陷[15]，以及亞波長的磁場與電場分布1 (a)光子晶體波導中脈沖跟蹤實驗；(b)被測光子晶體波導頂視工材料的“超透鏡”成像技術endry 等提出基于負折射率材料的“完美透鏡”可以近場區(qū)域的倏逝波）聚焦成像[17]。Zhang 等設計了銀）[18]、彎曲的周期性結(jié)構(gòu)（如圖 1.2(b)所示）[19]、亞倏逝波不衰減反而增強，從而實現(xiàn)了光學超分辨成像

(a)微納光纖產(chǎn)生的倏逝波[23]、(b)TIR 棱鏡表面的倏逝波[24]和(c)金屬等離激元[25]照明以實現(xiàn)光學超分辨成像的幾種近場測量方法，均是將位于近場區(qū)域包含物場超分的結(jié)構(gòu)或途徑耦合到遠場，再結(jié)合遠場的光學顯微成像手段特定的應用場景具有特殊的測量目的，本文的主要目的是，、高分辨測量界面附近近場區(qū)域物場光學性質(zhì)的方法。反射的近場測量方法近近場區(qū)域物場光學性質(zhì)的動態(tài)監(jiān)控，在分析化學、生物分為重要。1981 年，Axelrod 等提出的全內(nèi)反射熒光顯微術rescence microscopy, TIRFM），利用 TIR 產(chǎn)生的倏逝波照明樣內(nèi)的生物熒光團受激發(fā)產(chǎn)生熒光（如圖 1.4 所示），再結(jié)合微成像[26]。此后，該顯微技術在生物樣品監(jiān)測等領域得到

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本文編號：2823808