【摘要】：近年來,在納米信息時代背景下,光學(xué)超分辨技術(shù)的發(fā)展突飛猛進(jìn),在納米精細(xì)加工、納米顯微成像和納米信息存儲等信息技術(shù)中,都有很重要的應(yīng)用。尤其是在超分辨顯微成像領(lǐng)域的進(jìn)展更為突出,涌現(xiàn)出多種超分辨成像技術(shù)。其中,基于光學(xué)超振蕩的超分辨成像技術(shù)不需要借助倏逝波以及熒光發(fā)射特性就可以實現(xiàn)遠(yuǎn)場的超分辨成像。然而,就目前基于超振蕩的超分辨技術(shù)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(shù)的應(yīng)用;同時,目前人們對光學(xué)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(gòu)造超分辨的點擴(kuò)散函數(shù),亟待出現(xiàn)新的研究思路。針對超振蕩成像技術(shù)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(jié)合,采用Schelkunoff方法在進(jìn)行設(shè)計,利用空間光調(diào)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(jié)構(gòu)光顯微成像方法,在不需要非線性飽和吸收效應(yīng)的情況下可以進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)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(xì)胞結(jié)構(gòu)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(kuò)散函數(shù)法的超分辨成像方法和基于超振蕩的超衍射結(jié)構(gòu)光照明成像方法。(1)在超振蕩基礎(chǔ)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(xué)成像系統(tǒng)的低通濾波特性,解釋了光學(xué)成像過程具有頻域帶限性質(zhì);深入研究了光學(xué)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(diào)制的空間光調(diào)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(gòu)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(kuò)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(shè)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(jìn)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(diào)制,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)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(zhì)的認(rèn)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(jié)構(gòu)光照明成像方法研究中,提出了超振蕩的超衍射極限結(jié)構(gòu)光方法,突破了線性結(jié)構(gòu)光成像的空間分辨率極限;完成了用于結(jié)構(gòu)光超分辨成像的超振蕩光場設(shè)計;模擬了不同空間頻率的樣品在超振蕩的結(jié)構(gòu)光照明下的超分辨成像結(jié)果表明超振蕩結(jié)構(gòu)光照明成像具有突破傳統(tǒng)線性結(jié)構(gòu)光照明成像分辨極限的能力;進(jìn)一步的,論文分析了ROI區(qū)域結(jié)構(gòu)光照明均勻性對圖像重構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shù)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(xué)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(xué)顯微鏡只能采用信息。而在中紅外領(lǐng)域，近場光學(xué)顯微式近場光學(xué)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(zhì)的介電性質(zhì)差異，近場采集的散射信號進(jìn)行解析，就能獲取到技術(shù)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(shè)想[12]，以實現(xiàn)左手材料的 2004 年被變成了現(xiàn)實，科學(xué)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(yīng)用電磁學(xué)研究所的物理學(xué)功一種具有超級分辨率的鏡片，但是他們的技術(shù)要求被觀察的片，這一前提使其在實際應(yīng)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(guān)，頻譜中的位置緊鄰無線電波。其原理還是由于負(fù)折射率材料對，因此如果在近場倏逝波消失前使其耦合進(jìn)這種材料，就可以傳播。2005 年 Zhang Xiang 等人在美國加州大學(xué)伯克利分校于遠(yuǎn)場超透鏡（far-field superlens，F(xiàn)SL）的超分辨顯微成像周期柵狀結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)顯微鏡結(jié)合的方式將超分辨信息傳播到遠(yuǎn)達(dá)到 1/6 波長。超透鏡成像的結(jié)果如圖 1-2 所示。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TH74

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