【摘要】：光學(xué)顯微鏡被廣泛應(yīng)用于生物、醫(yī)療及工業(yè)等領(lǐng)域,但其成像分辨率會(huì)受到衍射極限的限制。顯微鏡的橫向分辨率只能達(dá)到可見(jiàn)光波長(zhǎng)的一半,即200 nm,一般通過(guò)增大數(shù)值孔徑來(lái)提高成像分辨率,但這也產(chǎn)生了一定的像差。所以,經(jīng)典的光學(xué)顯微鏡的發(fā)展已經(jīng)到達(dá)了瓶頸期階段。借助微透鏡輔助光學(xué)顯微鏡成像,可以提高成像分辨率,使我們能夠觀察到帶有物體精細(xì)結(jié)構(gòu)信息的像。電磁波照射到微透鏡后所產(chǎn)生的光子納米聚焦場(chǎng)被認(rèn)為是微透鏡實(shí)現(xiàn)高分辨的顯微成像的因素之一。光子納米聚焦效應(yīng)是一種在微透鏡表面附近所形成的強(qiáng)大的光子聚焦散射場(chǎng),可以增大實(shí)時(shí)觀察到病毒或者生物分子的機(jī)率。目前,如何實(shí)現(xiàn)高分辨率成像是業(yè)界研究的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。本文的主要研究工作如下:1.詳細(xì)介紹了離散偶極子近似(DDA,Discrete Dipole Approximation)數(shù)值算法的散射仿真計(jì)算流程,以及剖分的精確度。DDA是一種可以計(jì)算任意光束與任意形狀粒子相互作用的電磁散射和吸收特性的數(shù)值算法。ADDA軟件是DDA數(shù)值算法的光散射仿真模擬器。借助ADDA,分別計(jì)算了平面波入射不同直徑的微球透鏡在不同單位波長(zhǎng)偶極子個(gè)數(shù)下的場(chǎng)分布,并與Mie理論解析算法進(jìn)行了對(duì)比,分析研究了球形透鏡最大強(qiáng)度位置相對(duì)誤差和最大強(qiáng)度相對(duì)誤差。結(jié)果表明,對(duì)比DDA數(shù)值算法與Mie理論解析算法下,球形透鏡的前向散射強(qiáng)度基本一致。并且針對(duì)本文中的電磁仿真,確定了最佳的每單位波長(zhǎng)偶極子的個(gè)數(shù)為20。2.基于DDA數(shù)值算法,分別模擬計(jì)算了平面波、高斯波束照射到微球透鏡、微橢球透鏡、多個(gè)微球透鏡、多個(gè)微橢球透鏡的內(nèi)場(chǎng)及近場(chǎng)區(qū)域分布,分析了電磁散射特性。重點(diǎn)研究了微透鏡的光子納米聚焦特性。在高斯波束入射下計(jì)算電場(chǎng)的分布時(shí),分別討論了不同波束中心、束腰半徑的高斯波束作用于微透鏡的內(nèi)場(chǎng)及近場(chǎng)分布,及光子納米聚焦特性。高斯波束照射到微透鏡上時(shí),會(huì)隨著高斯波束的束腰半徑的增大,電磁散射場(chǎng)相似于平面波作用于微透鏡。對(duì)于陣列微透鏡的電場(chǎng)仿真計(jì)算,在微透鏡表面形成的光子納米聚焦區(qū)域可作為新的光束作用于后方微透鏡。同時(shí)也對(duì)其它典型形狀的微透鏡進(jìn)行了電磁計(jì)算。本文選取了三種形狀的微透鏡,分別是圓臺(tái)形微透鏡、錐形微透鏡、壺形微透鏡。計(jì)算且研究了在平面波照射下作用于三種形狀微透鏡的場(chǎng)分布。結(jié)果表明,微透鏡對(duì)波束具有匯聚的作用。微透鏡的尺寸、折射率和入射光波長(zhǎng)、外部介質(zhì)折射率等因素對(duì)微透鏡的光子納米聚焦區(qū)域具有一定程度上的影響。3.在顯微成像實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建過(guò)程中,對(duì)成像操作流程以及待測(cè)樣品選取等方面進(jìn)行了詳細(xì)的敘述。顯微成像的過(guò)程分為三部分,即樣品準(zhǔn)備、顯微成像、數(shù)據(jù)采集。待測(cè)樣品選取藍(lán)光光碟。微透鏡選取具有聚焦特性、折射率低的二氧化硅微球透鏡。采用光學(xué)顯微鏡與直徑分別是為3?m和5?m的二氧化硅微球透鏡,對(duì)表面處理后的藍(lán)光光碟進(jìn)行顯微成像,并且對(duì)藍(lán)光光碟的顯微成像現(xiàn)象進(jìn)行了觀察與驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,直徑越小的二氧化硅微球透鏡對(duì)藍(lán)光光碟的顯微成像的分辨率更高�；谝陨系膶�(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果,與理論上的放大倍數(shù)進(jìn)行了對(duì)比,結(jié)果表明,二氧化硅微球透鏡的實(shí)驗(yàn)上的成像放大倍數(shù)高于理論上的成像放大倍數(shù)。
【圖文】：

第二章 離散偶極子近似法第二章 離散偶極子近似法積分法包含三大部分，分別是離散偶極子近似法9]。離散偶極子近似（DDA）數(shù)值算法是一種任意入射波束的電磁（光）散射特性的研究方散射問(wèn)題公式化的基本實(shí)踐，將目標(biāo)散射體極子[73]。DDA 把點(diǎn)偶極子作為理論基礎(chǔ)，將目堆積，即點(diǎn)陣列的疊加。如圖 2.1 所示為球形粒

所以利用 ADDA 軟件模擬仿真計(jì)算的粒子尺寸的大小。一般情況下，采用超級(jí)計(jì)算機(jī)對(duì)大粒子或者超大時(shí)間成本，并且也保證了計(jì)算機(jī)內(nèi)存資源的充足。ADDA 基于 DDA 數(shù)值算法，所以對(duì)于目標(biāo)粒子的剖分問(wèn)題折射率、外部介質(zhì)的折射率，，以及粒子的等效體積尺寸等DA 也會(huì)對(duì)粒子的剖分精度存在一定的誤差。如果考慮到射粒子的等效體積尺寸超過(guò) 10 m，剖分精度誤差則會(huì)顯特定精度要求的估計(jì)仿真計(jì)算，可以改變剖分精度，即從得到。目前，軟件 ADDA 廣泛地適用于星際塵埃、大氣顆粒等領(lǐng)域。并且最重要的是由于軟件 ADDA 的易移植的。級(jí)的粒子，通過(guò)開(kāi)源軟件 ADDA串行及CPU并行進(jìn)行仿真DA 的運(yùn)行平臺(tái)選擇在 CentOS Linux 操作系統(tǒng)下，目的是過(guò)程方便、快捷且安全。
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：TP391.41;O441

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