【摘要】：由于受到衍射極限的限制,傳統(tǒng)的顯微鏡不能分辨尺寸小于二分之一波長的物體。近來研究表明,微透鏡輔助的超分辨顯微技術(shù)可以有效地獲得超分辨成像,并受到科學界的高度重視。本論文在此研究背景下,從微透鏡產(chǎn)生的光子納米噴流特性出發(fā),在以下幾個方面對微透鏡的超分辨成像特性及其成像機理進行了研究:1.以線狀和點狀物體作為觀察樣品,研究不同尺寸高折射率鈦酸鋇玻璃微球透鏡的成像特性,特別是當微球直徑增大,成像特性向幾何光學過渡的過程。實驗表明,線狀樣品和點狀樣品的超分辨圖像和微球透鏡的干涉環(huán)圖像都可以通過調(diào)節(jié)焦平面的位置獲得,且這兩種屬性均依賴于微球直徑的變化。隨著微球直徑的增加,特別是當接近幾何光學尺度時,干涉環(huán)更加清晰,但微球的分辨能力降低直至消失。理論模擬表明,透過全浸沒的高折射率微球的光束可聚焦在微球透鏡的底部,形成“光子納米噴流”,并對微球成像特性產(chǎn)生重要影響。在本文的測試范圍內(nèi),微球直徑增大,微球透鏡超分辨能力降低,這與其光子納米噴流的半最大值全寬(full-width-half-maximum,FWHM)和焦點位置有關。2.研究了高折射率微球透鏡與樣品保持一定的空間距離時的成像特性,并與低折射率微球透鏡的成像特性進行了比較。實驗表明,低折射率的二氧化硅和高折射率的鈦酸鋇玻璃微球透鏡,在空間上與樣品表面分離時,仍然具有超分辨成像能力。結(jié)合理論分析得出,通過不同的浸沒方式,使不同折射率的微球透鏡在其陰影區(qū)產(chǎn)生光子納米噴流,這能夠為其超分辨成像能力提供保證;在光入射方向上,低折射率的微球比高折射率微球的光子納米噴流持續(xù)長度略長,從而其保持亞波長分辨的空間距離也略長;由于鈦酸鋇玻璃微球的折射率高,成像尺寸大,在成像上表現(xiàn)出大的放大率和可視范圍。3.研究了介質(zhì)平面波導耦合的微球透鏡的成像特性。所用的介質(zhì)平面波導結(jié)構(gòu)由一個低折射率的二氧化硅層和一個高折射率的SU-8層組成。實驗結(jié)果表明,刻錄光碟的數(shù)據(jù)存儲點可以以高的圖像對比度被分辨,表明該平面介質(zhì)波導結(jié)構(gòu)可以有效的提高微球透鏡對物體高頻成分的耦合效率。在波導結(jié)構(gòu)中,入射波和襯底層的反射波相互疊加形成駐波,由于駐波的存在,使得微球產(chǎn)生的光子納米噴流的場強度衰減較緩,傳輸距離增強,有效地保持了微球透鏡的超分辨能力。4.基于光子納米噴流理論和軟光刻技術(shù),設計并制備了一種微透鏡陣列薄膜。該微透鏡陣列作為一種薄的彈性薄膜,可以移動并粘貼于測試樣品的表面,實現(xiàn)多個微透鏡同時對亞波長尺寸物體的成像,從而可以有效地提高微透鏡成像的觀察范圍。理論分析表明,該微透鏡陣列形成的光子納米噴流沿入射方向擴展,可以激發(fā)樣品產(chǎn)生更多近場高頻成分。光子納米噴流的位置,強度和束腰尺寸由入射光的波長、微透鏡形狀和空間排列以及周圍環(huán)境的折射率共同決定。
【學位授予單位】：南京師范大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TH74
【圖文】：

直至達到可分辨的程度，然后就可以被傳統(tǒng)的顯微鏡所接收［１６‘＾。實驗證逡逑實：在３６５ｎｍ波長的光照下，通過該結(jié)構(gòu)，可以成功的分辨空間間隔為１５０ｎｍ，逡逑線寬為３５ｎｍ的線條。實驗結(jié)構(gòu)如圖１．邋３所示。逡逑Ｖ，—逡逑ｍｉｌｌ：邐＾邐：逡逑圖丨．３基于多層膜結(jié)構(gòu)的遠場超分辨顯微技術(shù)邋引自文獻［１６］逡逑１．２．邋２基于熒光的超分辨顯微成像技術(shù)逡逑基于熒光的超分辨顯微技術(shù)主要包括受激發(fā)射損耗顯微技術(shù)（ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ逡逑ｅｍｉｓｓｉｏｎ邋ｄｅｐｌｅｔｉｏｎ，邋ＳＴＥＤ）和單分子定位勞光顯微技術(shù)。１９９４年，德國科學家逡逑Ｓ．邋Ｈｅｌｌ提出了邋ＳＴＥＤ模型，該模型指出先將一束激發(fā)光聚焦成普通的衍射受限光逡逑斑，使該光斑內(nèi)的熒光分子處于激發(fā)態(tài)；然后再嵌套一個激發(fā)光形成的中心為暗逡逑斑的環(huán)形聚焦光斑，該光斑可以抑制處于激發(fā)態(tài)熒光分子的反射，從而得到一個逡逑３逡逑

逑小于衍射極限的熒光點，通過逐點掃描形成超分辨的顯微圖像２０００年，該逡逑技術(shù)被實驗所驗證［１９］，實驗裝置與結(jié)果如圖１．邋４所示。由于ＳＴＥＤ技術(shù)可以通過逡逑不斷提高抑制光的強度來提高顯微成像的分辨率，所以可以分辨非常精細的物體逡逑結(jié)構(gòu)，目前其分辨率己經(jīng)達到了邋２．邋４ｎｍ。逡逑WW＿逡逑圖１．４基于ＳＴＥＤ的熒光超分辨顯微技術(shù)邋引自文獻ｔｌ９Ｊ逡逑單分子定位超分辨顯微技術(shù)，主要依靠視場中單個熒光分子的發(fā)光來準確的逡逑定位該熒光分子的位置，定位的精度達到納米的量級，通過擬合算法生成超分辨逡逑衍射圖像。１９９７年，Ｗ．Ｅ．Ｍｏｅｒｎｅｒ？發(fā)現(xiàn)綠色熒光蛋白的發(fā)光，可以隨意的開啟或逡逑關閉，這為單分子定位超分辨顯微技術(shù)提供了可能［２？。２００６年，Ｅ．Ｂｅｔｚｉｇ提出逡逑了激光激活定位顯微技術(shù)。如圖１．５所示，該技術(shù)先用綠色熒光蛋白來標記生物逡逑蛋白分子

逑小于衍射極限的熒光點，通過逐點掃描形成超分辨的顯微圖像２０００年，該逡逑技術(shù)被實驗所驗證［１９］，實驗裝置與結(jié)果如圖１．邋４所示。由于ＳＴＥＤ技術(shù)可以通過逡逑不斷提高抑制光的強度來提高顯微成像的分辨率，所以可以分辨非常精細的物體逡逑結(jié)構(gòu)，目前其分辨率己經(jīng)達到了邋２．邋４ｎｍ。逡逑WW＿逡逑圖１．４基于ＳＴＥＤ的熒光超分辨顯微技術(shù)邋引自文獻ｔｌ９Ｊ逡逑單分子定位超分辨顯微技術(shù)，主要依靠視場中單個熒光分子的發(fā)光來準確的逡逑定位該熒光分子的位置，定位的精度達到納米的量級，通過擬合算法生成超分辨逡逑衍射圖像。１９９７年，Ｗ．Ｅ．Ｍｏｅｒｎｅｒ？發(fā)現(xiàn)綠色熒光蛋白的發(fā)光，可以隨意的開啟或逡逑關閉，這為單分子定位超分辨顯微技術(shù)提供了可能［２？。２００６年，Ｅ．Ｂｅｔｚｉｇ提出逡逑了激光激活定位顯微技術(shù)。如圖１．５所示，該技術(shù)先用綠色熒光蛋白來標記生物逡逑蛋白分子

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