矢量衍射远场超分辩聚焦相关理论及共焦显微成像研究

摘要

自1873年阿贝衍射分辨率极限提出以来，超分辨聚焦及超分辨显微成像始终是科学研究的热点和难点问题之一，目前传统显微技术正向纳米显微技术(Nanoscopy)发展，对物理、生物、医学、生命科学、材料科学、纳米技术、精密工程等众多领域产生广泛而深远的影响。在传统远场光学范畴内，利用常规折射、反射和（二元）衍射光学器件，不依赖近场倏逝波贡献，突破阿贝衍射分辨率极限汍/(2NA)的客观约束，实现汍/4?汍/3量级超分辨衍射聚焦，并应用于共焦显微技术实现超分辨扫描光学成像，具有重要的科学研究价值和现实意义。
　　本课题“矢量衍射远场超分辨聚焦相关理论及共焦显微成像研究”旨在探索获得接近或达到远场光学衍射极限0.36七/N A的超分辨聚焦光斑及亚波长纯纵向偏振均匀光针场的基本方法，并研究将超分辨聚焦理论应用于共焦显微技术中实现超分辨共焦扫描光学成像的实现途径及基本特性，本文的研究在微光刻、粒子操纵、激光直写、高密度光学存储、纳米生物/医学成像、材料科学、工业/工程检测等领域具有重要理论和应用参考价值。
　　本课题主要研究内容如下：
　　1.针对光瞳滤波超分辨聚焦及共焦显微成像关键问题，提出辐轮形滤波优化设计方法，构造了辐轮形滤波器实现横向压缩、轴向任意拉伸平顶强度分布聚焦光束；构造了余弦合成型滤波器，通过引入振幅切趾函数和平衡因子，实现轴向任意拉伸亚波长纵向偏振均勻光针场分布，在径向偏振光照明和NA=0.95物镜系统空气介质中，调制产生横向半高全宽（F W H M)0.422。和轴向4.72。（峰谷强度波动小于2.8％)的亚波长纵向偏振光针场；推导给出适用于任意Tomldo滤波器共焦显微成像系统相干传递函数的解析表达式，在频率域揭示了其实现超分辨共焦显微成像的本质机理等。
　　2.针对超振荡衍射亚波长聚焦设计理论局限问题，提出了具有普适性的、高效优化设计方法，推导给出了典型偏振态矢量光束照明任意有限尺度超振荡衍射元件的光场传播积分表达式，分别基于标量和矢量角谱理论建立了超振荡衍射元件亚波长聚焦的标量和矢量优化模型，利用配置的遗传算法和快速汉克尔变换算法求解优化模型；在标量优化设计中，利用直径200(am的超振荡衍射元件实现横向F W H M分别为0.36汍（空气介质）和0.26汍（油浸介质）超分辨聚焦光斑，且工作距离均超过60汍；在矢量优化设计中，利用径向偏振光照明，实现横向FWHM分别为0.392。（空气介质）和?0.252。（油浸介质）超分辨聚焦光斑，并利用矢量瑞利一索末菲衍射积分理论验证了矢量优化设计理论及结果的正确性；二元相位型超振荡衍射元件相比二元振幅型结构具有高光效聚焦特性，理论计算表明：在相同结构参数及设计目标条件下，前者衍射亮斑峰值强度是后者的五倍以上。利用电子束光刻（EBL)加工了二元振幅型超振荡衍射元件，研制了工业型共焦显微镜完成对该器件的成像及轮廓检测，在532.4nm单纵模激光波长和空气介质中进行了超振荡衍射亚波长聚焦实验研究，采用共焦检焦纳米定位和干涉场宽场成像关键实验方法，实验结果进一步验证了提出的超振荡衍射元件优化设计方法及结果的正确性。
　　3.为解决亚波长纵向偏振光针场其横向尺度达到远场光学衍射极限聚焦与轴向任意拉伸及强度波动之间的矛盾，开展极大数值孔径抛物反射镜和菲涅尔波带片亚波长聚焦研究。提出利用大数值孔径菲涅尔波带片的强轴向色散效应，通过分离设计波长与照明波长，并在环形菲涅尔波带片微结构中引入可滑动的窄梳状窗函数，在径向偏振光照明和空气介质中，通过优化设计调制产生了横向FWHM为0.366汍、轴向焦深47汍（该焦深范围内峰谷强度波动8.5%)的纯纵向偏振均匀光针场；而在NA=1的环形抛物反射镜系统中，提出利用余弦合成型滤波器对入射径向偏振光进行调制，实现横向F W H M为0.36汍（空气介质)、轴向焦深10汍（该焦深范围内峰谷强度波动0.7%)的纯纵向偏振均匀光针场;基于矢量斯特尔顿一朱衍射积分，建立了任意双向开口环形抛物反射镜聚焦径向偏振光的准严格矢量衍射积分，在远场近似条件下退化为经典矢量德拜一沃尔夫衍射积分结果，理论验证了轴向焦移现象的存在，并指出当最大半孔径角约为115。时，聚焦光斑横向极限压缩至0.39^。
　　4.开展共焦显微成像及测量仪器集成研究，为微/纳结构样品提供三维成像及轮廓检测手段，并为进一步研制超分辨共焦显微镜提供技术储备。阐述了共焦显微镜集成关键技术，提出共焦探测针孔可视化快速装调与实时监测方法，集成了工业型共焦显微镜综合仪器装置，包含普通宽场成像、共焦扫描成像及三维层析测量、差动共焦测量等基本模块，在532nm激光波长及NA=0.9物镜条件下，共焦轴向层析响应曲线F W H M为564nm，并对典型微结构样品以及设计加工的二元振幅型超振荡衍射元件进行了扫描成像及轮廓检测等。

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第1章 绪 论

1 .1课题研究的背景及目的、意义

1 .2超分辨聚焦研究现状

1 .3超分辨共焦显微成像技术研究现状

1 .4本领域存在的科学问题

1 .5课题的主要研究内容

1 .6本章小结

第2章光瞳滤波超分辨聚焦及共焦显微成像

2 .1引言

2 .2标量衍射积分及聚焦光场分布

2 .3矢量衍射积分及聚焦积分表达式

2 .4光瞳滤波原理、分类和设计

2 .5辐轮形滤波器

2 .6余弦合成型滤波器

2 .7抛物切趾型和余弦指数型光瞳滤波器

2.8 Toraldo 滤波器共焦相干传递函数解析表达式

2 .9本章小结

第3章超振荡衍射聚焦及超分辨共焦显微成像

3 .1引言

3 .2超振汤现象和超振汤透镜

3.3标量角谱理论和超振荡衍射元件的标量优化设计

3 .4超振荡衍射元件的矢量优化设计

3 .5超振荡透镜矢量衍射聚焦理论验证

3 .6超振荡透镜聚焦共焦显微成像相干传递函数

3 .7超振荡透镜亚波长聚焦及共焦超分辨成像的认识

3 .8本章小结

第4章极大数值孔径抛物反射镜和菲涅尔波带片亚波长聚焦

4 .1引言

4 .2径向偏振光极大数值孔径系统超分辨聚焦

4 .3抛物反射镜矢量德拜一 沃尔夫衍射积分

4.4抛物反射镜斯特尔顿一 朱矢量衍射积分

4 .5抛物反射镜亚波长聚焦及共焦超分辨成像

4 .6菲涅尔波带片亚波长聚焦

4.7本章小结

第5章共焦显微镜仪器集成及超振荡衍射聚焦实验研究

5 .1引言

5 .2共焦扫描光学显微镜集成关键技术及实现

5 .3工业型共焦显微镜综合仪器装置集成

5 .4超振荡衍射元件超分辨聚焦实验

5 .5本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

声明

致谢

个人简历