發(fā)布時間：2020-03-29 22:24

【摘要】：近年來,在納米信息時代背景下,光學超分辨技術的發(fā)展突飛猛進,在納米精細加工、納米顯微成像和納米信息存儲等信息技術中,都有很重要的應用。尤其是在超分辨顯微成像領域的進展更為突出,涌現(xiàn)出多種超分辨成像技術。其中,基于光學超振蕩的超分辨成像技術不需要借助倏逝波以及熒光發(fā)射特性就可以實現(xiàn)遠場的超分辨成像。然而,就目前基于超振蕩的超分辨技術的發(fā)展來看,亞波長尺寸的加工精度要求,以及幾微米到幾十微米的小工作距離極大地限制了這項技術的應用;同時,目前人們對光學超振蕩的超分辨成像研究方向過于單一,所有的研究都是利用超振蕩原理構造超分辨的點擴散函數(shù),亟待出現(xiàn)新的研究思路。針對超振蕩成像技術目前存在的不足,我們將超振蕩光場與普通顯微成像系統(tǒng)相結合,采用Schelkunoff方法在進行設計,利用空間光調制器實現(xiàn)了超振蕩光場,在免去納米精度器件加工的同時,可以提高工作距離;提出了超振蕩的超衍射極限結構光顯微成像方法,在不需要非線性飽和吸收效應的情況下可以進一步提高結構光顯微成像的分辨率,同時又可以解決超振蕩在對透明樣品成像及亞細胞結構的靶向特異性研究上的困難。本論文重點研究了基于超振蕩點擴散函數(shù)法的超分辨成像方法和基于超振蕩的超衍射結構光照明成像方法。(1)在超振蕩基礎理論研究中,以傳輸波理論分析了光波的頻域傳輸特性以及光學成像系統(tǒng)的低通濾波特性,解釋了光學成像過程具有頻域帶限性質;深入研究了光學超振蕩的原理;給出了矢量角譜理論的超振蕩光場計算方法;最后,利用純振幅調制的空間光調制器DMD,實驗上獲取了局部超分辨的超振蕩光場,并利用4f系統(tǒng)構造的空間濾波裝置證明了,超振蕩光場中不含有高于衍射極限的空間頻率成分。(2)在基于超振蕩點擴散函數(shù)法的超分辨成像方法研究中,針對點掃描和寬場兩種不同的成像方式,首先研究了基于超振蕩的超分辨聚焦方法,完成了小數(shù)值孔徑和大數(shù)值孔徑情況下的超振蕩光場優(yōu)化設計,分析了Schelkunoff方法中超振蕩光場的能量分布,在DMD上通過改進的雙像素拼接編碼方式實現(xiàn)了光場的振幅和相位同時調制,并在此基礎上進行了小數(shù)值孔徑下超振蕩的超分辨聚焦實驗;最后,為了深入對寬場的超振蕩超分辨成像本質的認識,論文通過對寬場的超振蕩超分辨成像模擬,提出并分析了超振蕩寬場成像在一定條件下存在的贗像問題。(3)在基于超振蕩的超衍射結構光照明成像方法研究中,提出了超振蕩的超衍射極限結構光方法,突破了線性結構光成像的空間分辨率極限;完成了用于結構光超分辨成像的超振蕩光場設計;模擬了不同空間頻率的樣品在超振蕩的結構光照明下的超分辨成像結果表明超振蕩結構光照明成像具有突破傳統(tǒng)線性結構光照明成像分辨極限的能力;進一步的,論文分析了ROI區(qū)域結構光照明均勻性對圖像重構的影響,給出了評價均勻性的參數(shù)R及可接受的均勻度;最后,分析了該方法的空間頻譜拓寬特性,并提出在超振蕩結構光頻率大于衍射極限2倍時頻率缺失問題的解決方法。
【圖文】：

于該技術的實現(xiàn)。1984 年，第一臺利由 Pohl 等制造并使用[5]，該顯微鏡通過反饋信息，并在兩年后實現(xiàn)了高分辨成場光學顯微鏡由于瑞利衍射極限（raylei寸的制約，也受到入射光波長 1/2 的限成像時，傳統(tǒng)近場光學顯微鏡只能采用信息。而在中紅外領域，近場光學顯微式近場光學顯微鏡利用 AFM（atomic 明，在針尖附近激發(fā)一個納米尺度的增，由于不同物質的介電性質差異，近場采集的散射信號進行解析，就能獲取到技術突破了傳統(tǒng)孔徑成像的限制，，其分。圖 1-1 為近場掃描顯微鏡的原理圖。

Pendry 等人提出了完美透鏡設想[12]，以實現(xiàn)左手材料的 2004 年被變成了現(xiàn)實，科學家利用左手材料已經(jīng)成功制造出004 年２月，俄羅斯莫斯科理論與應用電磁學研究所的物理學功一種具有超級分辨率的鏡片，但是他們的技術要求被觀察的片，這一前提使其在實際應用中難以操作。同年，加拿大多倫造出一種左手鏡片，其工作原理與具有微波波長的射線有關，頻譜中的位置緊鄰無線電波。其原理還是由于負折射率材料對，因此如果在近場倏逝波消失前使其耦合進這種材料，就可以傳播。2005 年 Zhang Xiang 等人在美國加州大學伯克利分校于遠場超透鏡（far-field superlens，F(xiàn)SL）的超分辨顯微成像周期柵狀結構與傳統(tǒng)顯微鏡結合的方式將超分辨信息傳播到遠達到 1/6 波長。超透鏡成像的結果如圖 1-2 所示。
【學位授予單位】：中國科學院大學(中國科學院西安光學精密機械研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TH74

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