【摘要】：基于傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡能觀察微細(xì)物體的能力,顯微鏡被廣泛應(yīng)用于眾多學(xué)科的科研研究中。由于Abbe衍射極限的限制,用可見光作光源時(shí)傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡的分辨率約為λ/2。為了分辨亞衍射極限的物體,許多超分辨成像技術(shù)被相繼提出。在這些方法中,微球透鏡技術(shù)在白光照射下就能簡單和有效的獲取超分辨圖像,這吸引了眾多科研小組的關(guān)注。在微球透鏡技術(shù)中,常用改變相對折射率的方法來增加樣品的成像放大率,并且只通過研究單個(gè)微球透鏡的成像特性來探究微球超分辨成像的工作機(jī)理。在不改變相對折射率的條件下,本文設(shè)計(jì)了級聯(lián)型微球透鏡來改善微球透鏡的超分辨能力并對其成像特性進(jìn)行研究。本文的主要研究內(nèi)容如下:1.仿照幾何光學(xué)透鏡組,設(shè)計(jì)了一種圍球型級聯(lián)微球透鏡,并且研究了這種級聯(lián)微球透鏡和單個(gè)二氧化硅(SiO2)微球透鏡的成像特性。采用酒精作為浸沒介質(zhì),從實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到級聯(lián)微球透鏡的放大率是單個(gè)微球透鏡的1.44×,但是視場變小。研究結(jié)果表明:該級聯(lián)微球透鏡的兩級都起到了放大作用,提高了低折射率SiO2微球的放大率;能對觀察樣品成像的級聯(lián)微球透鏡必須是其焦點(diǎn)的位置要靠近觀察樣品表面;只有當(dāng)級聯(lián)微球透鏡結(jié)構(gòu)的兩級微球的中心在一條直線上,才能得到中間亮且清晰的像;第一級960 nm聚苯乙烯(PS)微球?qū)馐膮R聚作用,限制了級聯(lián)微球透鏡的視場范圍。2.提出了一種制備過程更簡單、可重復(fù)性更高的甩膠型級聯(lián)微球透鏡,研究了這種級聯(lián)微球透鏡和單個(gè)SiO2微球透鏡的成像特性。采用SU8-2002光刻膠作為浸沒介質(zhì),研究發(fā)現(xiàn)該級聯(lián)微球透鏡與單個(gè)SiO2微球相比,其視場減小但放大率增大至1.38×。此外,實(shí)驗(yàn)結(jié)果中得到了一個(gè)特別的現(xiàn)象,該級聯(lián)微球透鏡呈現(xiàn)出兩種成像結(jié)果即中間區(qū)域有條紋且放大率增大和外圍區(qū)域有條紋且放大率無明顯變化。研究結(jié)果表明:甩膠型的級聯(lián)微球透鏡制備工藝更簡單、可重復(fù)性更高;能起到放大作用的級聯(lián)微球透鏡其兩級微球球心必須在一條線上;微球的半高全寬值越小,超分辨能力越強(qiáng)。3.將甩膠型級聯(lián)結(jié)構(gòu)應(yīng)用于高折射率的鈦酸鋇(BTG)微球,然后分別研究了 SU8-2002光刻膠,鏡頭浸沒油,聚二甲基硅氧烷(PDMS),酒精和超純水水五種介質(zhì)浸沒下的單個(gè)BTG微球和甩膠型級聯(lián)高折射率微球透鏡的成像特性。理論和仿真分析表明相對折射率在1.2-1.45之間時(shí),隨著相對折射率的增加,成像放大率增大,焦點(diǎn)距離樣品表面變近,半高全寬值變小。綜合考慮了五種浸沒介質(zhì)的特性,研究發(fā)現(xiàn)PDMS是級聯(lián)型高折射率微球透鏡的最佳浸沒介質(zhì),實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示這種甩膠型級聯(lián)微球透鏡放大率是單個(gè)BTG微球的1.35×,其納米噴流的束腰更細(xì),超分辨能力更強(qiáng)。
【圖文】：

多孔氧化鋁樣品的成像放大率高達(dá)８ｘ。圖Ｕ邋（ａ）是實(shí)驗(yàn)裝置圖，光源來自鹵素?zé)翦义希ǚ逯挡ㄩL為６００邋ｎｍ）。ＳｉＯ：微球透鏡對觀察樣品藍(lán)光光碟條紋和５０邋ｎｍ多孔氧化錯(cuò)逡逑的成像如圖１．１邋（ｂ）所示。逡逑圖１．１實(shí)驗(yàn)裝置和超分辨成像圖引自文獻(xiàn)［３１］逡逑２００６年，Ｃｈｅｎ等人提出超分辨成像機(jī)理與入射光在微球背光區(qū)形成的超強(qiáng)聚焦逡逑光場即“光子納米噴流”有關(guān)［４（＞］。Ｗａｎｇ小組利用光子納米噴流對Ｓｉ０２微球的成像特逡逑性進(jìn)行分析。仿真與數(shù)值分析如圖１．２所示，研究發(fā)現(xiàn)ＳｉＣＸ微球在近場對亞衍射極限逡逑的物體具有強(qiáng)聚焦作用，能激發(fā)更多的倏逝波耦合進(jìn)透鏡，倏逝波在微球內(nèi)部轉(zhuǎn)化成逡逑２逡逑

＿１邐０邋ｘ／ａ邋１逡逑圖１．２微球透鏡的仿真圖引自文獻(xiàn)ｐｉ］逡逑２０１１年，，浙大的Ｈａｏ等人在酒精半浸沒的條件下通過３的二氧化硅微球觀察逡逑藍(lán)光光碟，實(shí)現(xiàn)了超分辨成像［３２＿３３１。從實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，直接使用傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡無法成逡逑像，無浸沒介質(zhì)時(shí)的微球透鏡成像極其模糊，而酒精半浸沒后微球透鏡的對比度明顯逡逑提高但是成像放大率從２．５ｘ降至１．４ｘ。成像對比圖如圖１．３所示。逡逑■媭”逡逑（ａ）邐（ｂ）逡逑Ａ逡逑嚴(yán)邐ＷＪ邋，邐１逡逑ＭＢ邐Ｐ逡逑１ｐｍ邐１ｐｍ１逡逑（ｃ）邐（ｄ）逡逑圖１．３空氣中與半浸沒條件下微球透鏡對藍(lán)光光碟的成像引自文獻(xiàn)［３２］逡逑Ｈａｏ小組結(jié)合幾何光學(xué)來分析近場光學(xué)的成像原理，分析認(rèn)為衍射極限的限制使逡逑倏逝波無法傳輸?shù)竭h(yuǎn)場，但是微球外部的浸液與藍(lán)光光碟之間形成廣？個(gè)諧振腔，諧逡逑振增強(qiáng)的作用使倏逝波在微球內(nèi)部多次反射增強(qiáng)，提高了微球的耦合效率，促進(jìn)了微逡逑球的超分辨能力。如圖１．４是微球透鏡的成像原理圖。逡逑３逡逑
【學(xué)位授予單位】：南京師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TH74

【參考文獻(xiàn)】

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1 王淑瑩;章海軍;張冬仙;;基于微球透鏡的任選區(qū)高分辨光學(xué)顯微成像新方法研究[J];物理學(xué)報(bào);2013年03期

本文編號：2604983