矢量衍射遠(yuǎn)場超分辯聚焦相關(guān)理論及共焦顯微成像研究.pdf

1、自1873年阿貝衍射分辨率極限提出以來，超分辨聚焦及超分辨顯微成像始終是科學(xué)研究的熱點和難點問題之一，目前傳統(tǒng)顯微技術(shù)正向納米顯微技術(shù)(Nanoscopy)發(fā)展，對物理、生物、醫(yī)學(xué)、生命科學(xué)、材料科學(xué)、納米技術(shù)、精密工程等眾多領(lǐng)域產(chǎn)生廣泛而深遠(yuǎn)的影響。在傳統(tǒng)遠(yuǎn)場光學(xué)范疇內(nèi)，利用常規(guī)折射、反射和（二元）衍射光學(xué)器件，不依賴近場倏逝波貢獻(xiàn)，突破阿貝衍射分辨率極限汍/(2NA)的客觀約束，實現(xiàn)汍/4?汍/3量級超分辨衍射聚焦，并應(yīng)用于共焦顯微

2、技術(shù)實現(xiàn)超分辨掃描光學(xué)成像，具有重要的科學(xué)研究價值和現(xiàn)實意義。
　　本課題“矢量衍射遠(yuǎn)場超分辨聚焦相關(guān)理論及共焦顯微成像研究”旨在探索獲得接近或達(dá)到遠(yuǎn)場光學(xué)衍射極限0.36七/N A的超分辨聚焦光斑及亞波長純縱向偏振均勻光針場的基本方法，并研究將超分辨聚焦理論應(yīng)用于共焦顯微技術(shù)中實現(xiàn)超分辨共焦掃描光學(xué)成像的實現(xiàn)途徑及基本特性，本文的研究在微光刻、粒子操縱、激光直寫、高密度光學(xué)存儲、納米生物/醫(yī)學(xué)成像、材料科學(xué)、工業(yè)/工程檢測等領(lǐng)域

3、具有重要理論和應(yīng)用參考價值。
　　本課題主要研究內(nèi)容如下：
　　1.針對光瞳濾波超分辨聚焦及共焦顯微成像關(guān)鍵問題，提出輻輪形濾波優(yōu)化設(shè)計方法，構(gòu)造了輻輪形濾波器實現(xiàn)橫向壓縮、軸向任意拉伸平頂強(qiáng)度分布聚焦光束；構(gòu)造了余弦合成型濾波器，通過引入振幅切趾函數(shù)和平衡因子，實現(xiàn)軸向任意拉伸亞波長縱向偏振均勻光針場分布，在徑向偏振光照明和NA=0.95物鏡系統(tǒng)空氣介質(zhì)中，調(diào)制產(chǎn)生橫向半高全寬（F W H M)0.422。和軸向4.72。

4、（峰谷強(qiáng)度波動小于2.8％)的亞波長縱向偏振光針場；推導(dǎo)給出適用于任意Tomldo濾波器共焦顯微成像系統(tǒng)相干傳遞函數(shù)的解析表達(dá)式，在頻率域揭示了其實現(xiàn)超分辨共焦顯微成像的本質(zhì)機(jī)理等。
　　2.針對超振蕩衍射亞波長聚焦設(shè)計理論局限問題，提出了具有普適性的、高效優(yōu)化設(shè)計方法，推導(dǎo)給出了典型偏振態(tài)矢量光束照明任意有限尺度超振蕩衍射元件的光場傳播積分表達(dá)式，分別基于標(biāo)量和矢量角譜理論建立了超振蕩衍射元件亞波長聚焦的標(biāo)量和矢量優(yōu)化模型，利用

5、配置的遺傳算法和快速漢克爾變換算法求解優(yōu)化模型；在標(biāo)量優(yōu)化設(shè)計中，利用直徑200(am的超振蕩衍射元件實現(xiàn)橫向F W H M分別為0.36汍（空氣介質(zhì)）和0.26汍（油浸介質(zhì)）超分辨聚焦光斑，且工作距離均超過60汍；在矢量優(yōu)化設(shè)計中，利用徑向偏振光照明，實現(xiàn)橫向FWHM分別為0.392。（空氣介質(zhì)）和?0.252。（油浸介質(zhì)）超分辨聚焦光斑，并利用矢量瑞利一索末菲衍射積分理論驗證了矢量優(yōu)化設(shè)計理論及結(jié)果的正確性；二元相位型超振蕩衍射元件

6、相比二元振幅型結(jié)構(gòu)具有高光效聚焦特性，理論計算表明：在相同結(jié)構(gòu)參數(shù)及設(shè)計目標(biāo)條件下，前者衍射亮斑峰值強(qiáng)度是后者的五倍以上。利用電子束光刻（EBL)加工了二元振幅型超振蕩衍射元件，研制了工業(yè)型共焦顯微鏡完成對該器件的成像及輪廓檢測，在532.4nm單縱模激光波長和空氣介質(zhì)中進(jìn)行了超振蕩衍射亞波長聚焦實驗研究，采用共焦檢焦納米定位和干涉場寬場成像關(guān)鍵實驗方法，實驗結(jié)果進(jìn)一步驗證了提出的超振蕩衍射元件優(yōu)化設(shè)計方法及結(jié)果的正確性。
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7、.為解決亞波長縱向偏振光針場其橫向尺度達(dá)到遠(yuǎn)場光學(xué)衍射極限聚焦與軸向任意拉伸及強(qiáng)度波動之間的矛盾，開展極大數(shù)值孔徑拋物反射鏡和菲涅爾波帶片亞波長聚焦研究。提出利用大數(shù)值孔徑菲涅爾波帶片的強(qiáng)軸向色散效應(yīng)，通過分離設(shè)計波長與照明波長，并在環(huán)形菲涅爾波帶片微結(jié)構(gòu)中引入可滑動的窄梳狀窗函數(shù)，在徑向偏振光照明和空氣介質(zhì)中，通過優(yōu)化設(shè)計調(diào)制產(chǎn)生了橫向FWHM為0.366汍、軸向焦深47汍（該焦深范圍內(nèi)峰谷強(qiáng)度波動8.5%)的純縱向偏振均勻光針場；而

8、在NA=1的環(huán)形拋物反射鏡系統(tǒng)中，提出利用余弦合成型濾波器對入射徑向偏振光進(jìn)行調(diào)制，實現(xiàn)橫向F W H M為0.36汍（空氣介質(zhì))、軸向焦深10汍（該焦深范圍內(nèi)峰谷強(qiáng)度波動0.7%)的純縱向偏振均勻光針場;基于矢量斯特爾頓一朱衍射積分，建立了任意雙向開口環(huán)形拋物反射鏡聚焦徑向偏振光的準(zhǔn)嚴(yán)格矢量衍射積分，在遠(yuǎn)場近似條件下退化為經(jīng)典矢量德拜一沃爾夫衍射積分結(jié)果，理論驗證了軸向焦移現(xiàn)象的存在，并指出當(dāng)最大半孔徑角約為115。時，聚焦光斑橫向極

9、限壓縮至0.39^。
　　4.開展共焦顯微成像及測量儀器集成研究，為微/納結(jié)構(gòu)樣品提供三維成像及輪廓檢測手段，并為進(jìn)一步研制超分辨共焦顯微鏡提供技術(shù)儲備。闡述了共焦顯微鏡集成關(guān)鍵技術(shù)，提出共焦探測針孔可視化快速裝調(diào)與實時監(jiān)測方法，集成了工業(yè)型共焦顯微鏡綜合儀器裝置，包含普通寬場成像、共焦掃描成像及三維層析測量、差動共焦測量等基本模塊，在532nm激光波長及NA=0.9物鏡條件下，共焦軸向?qū)游鲰憫?yīng)曲線F W H M為564nm，并對