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远场亚波长聚焦方法与实验的研究

作　者: 王婷婷
导　师: 刘旭；匡翠方
学　校: 浙江大学
专　业: 光学工程
关键词: 远场亚波长聚焦超分辨微纳结构偏振荧光显微成像
分类号: O439
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

将入射光束聚焦到具有亚波长分辨率的聚焦光斑在实际中具有非常重要的应用,诸如可应用于光学数据存储、纳米光刻、生物成像和光学显微镜等。尤其是随着21世纪生命科学技术的研究,使得在远场实现亚波长分辨率的显微成像具有更为重要的应用。本文主要从微纳结构、高数值孔径下的聚焦光场分布以及受激发射损耗(STED)荧光显微镜的研究这三个方面,来寻找实现光学远场亚波长聚焦的方法。第一章主要介绍了在远场实现亚波长聚焦的研究意义,并列举了目前国内外各研究小组亚波长聚焦的研究成果。第二章主要利用多光束相干叠加在远场实现亚波长聚焦的思想,通过对微纳结构的研究,设计了微纳锗环结构和环形微球阵列结构来实现远场亚波长聚焦。采用FIB的技术进行了微纳锗环样品的加工,同时利用成像系统实验上给出了聚焦效果图：另外,根据FDTD的算法,数值计算出微球阵列结构的远场亚波长聚焦光场分布。第三章主要分析了在高数值孔径下聚焦时,入射光的偏振和相位对聚焦光场的影响。根据矢量衍射理论,研究了高阶涡旋位相板对于径向偏振光和切向偏振光束聚焦光场的调制作用。另外,当对切向偏振光束进行0/π二元位相编码之后,在高数值孔径透镜下聚焦,尤其是当采用环形孔阑结构实现环形照明时,可实现小于λ/4的聚焦光斑。第四章主要通过实验搭建STED荧光显微镜,通过制备荧光探针样品,完成了其中共聚焦显微成像部分的系统分辨率的测量,实现了亚波长的聚焦光斑。本文最后,对本课题的研究工作进行了总结,并指出接下来研究的方向。

全文目录

致谢  5-6
摘要  6-7
Abstract  7-9
目次  9-11
1 绪论  11-20
  1.1 课题研究目的与意义  11-12
  1.2 亚波长聚焦的研究现状  12-18
    1.2.1 基于倏逝波理论的亚波长成像  12-13
    1.2.2 基于表面等离子体波的亚波长聚焦  13-14
    1.2.3 基于超振效应的亚波长聚焦  14-15
    1.2.4 基于多光束相干叠加的亚波长聚焦  15-16
    1.2.5 基于阵列结构的亚波长成像  16-17
    1.2.6 基于偏振效应的亚波长聚焦  17-18
  1.3 本课题的研究内容  18-20
2 微纳结构实现远场亚波长聚焦的研究  20-36
  2.1 微纳锗环结构的远场亚波长聚焦  20-27
    2.1.1 设计思想  20-21
    2.1.2 数值仿真计算  21-23
    2.1.3 实验结果分析  23-27
  2.2 微球阵列结构的远场亚波长聚焦  27-36
    2.2.1 单个光子纳米喷射  27-28
    2.2.2 环形微球阵列结构  28-30
    2.2.3 影响聚焦效果的因素  30-36
3 高数值孔径透镜的远场亚波长聚焦  36-55
  3.1 基于偏振调制的聚焦光斑的测量  36-43
    3.1.1 柱状矢量偏振光的数学描述  37-38
    3.1.2 柱状矢量偏振光的产生  38-40
    3.1.3 理论依据  40-42
    3.1.4 实验结果  42-43
  3.2 基于涡旋位相调制的聚焦光场  43-49
    3.2.2 数值计算  43-47
    3.2.3 实验结果  47-49
  3.3 基于偏振和相位调制的远场亚波长聚焦  49-55
    3.3.1 理论依据  49-50
    3.3.2 数值模拟计算  50-55
4 STED显微镜中亚波长聚焦的研究  55-68
  4.1 STED显微镜的原理  55-58
    4.1.1 原理描述  55-57
    4.1.2 STED聚焦光斑的模拟计算  57-58
  4.2 STED中共聚焦显微  58-68
    4.2.1 实验系统的搭建  58-63
    4.2.2 样品的制备  63-65
    4.2.3 实验结果的测量  65-68
5 总结与展望  68-70
参考文献  70-77
作者简历及在学期间所取得的科研成果  77-78

远场亚波长聚焦方法与实验的研究

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