偏振扰动对STED系统聚焦光场影响的研究

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由于光学显微镜存在远场衍射极限,传统光学显微镜无法对百纳米以下尺寸的物体进行清晰观察,而受激发射损耗显微术(Stimulated Emission Depletion,STED)可以实现对亚百纳米级尺寸的物体进行清晰观测。然而在STED系统中,许多光学元件或者膜系的使用会引入一定的位相延迟,从而导致STED系统的光束的偏振态发生扰动。基于此,本文研究了偏振扰动对STED系统聚焦光场的影响,并且讨论了补偿偏振扰动影响的方法。本文以二向色镜(Dichroic Mirror,DM)为代表研究了偏振扰动对STED系统聚焦光场的影响。其中,首先研究了DM引入的偏振扰动对二维STED系统聚焦光场的影响,并且详细计算分析了DM引入的偏振扰动对激发光、损耗光以及有效点扩散函数(Point-spread Function,PSF)峰值光强或者中心光强和形状的影响,其中,在偏振扰动的影响下,二维STED系统中激发光的峰值光强均为7.54不发生变化,激发光的半高宽(full-width-half-maximum,FWHM)在周期内的变化范围为214.6 nm~298 nm,振幅为41.7 nm,相对于无偏振扰动情况下激发光的FWHM,最大变化(增加或减少)了16.3%;损耗光的中心点光强变化范围为0~2.08 a.u.(arbitrary unit,a.u.),并且η(DM引入的相位延迟)不变时,随着α(入射线偏振光与参考x轴存在的夹角)增加损耗光的中心点光强呈正弦变化趋势;有效PSF的归一化峰值光强的变化趋势同损耗光中心点光强的变化趋势。对于有效PSF的FWHM:当饱和系数s=3时,η变化15°,STED系统的有效PSF的FWHM降低了2.3%;当饱和系数s=3时,α同样变化15°,STED系统的有效PSF的FWHM降低了8.9%。因此,在引入偏振扰动时,二维STED系统中,激发光光强不受影响,损耗光光强会发生改变,并且有效PSF光强变化来源于损耗光;η的变化不会影响椭偏度,也即损耗光的形状不会受到η的影响。在研究二维STED系统的基础上,本文进一步将研究对象扩展到三维STED系统,着重分析了激发光、损耗光以及有效PSF的XZ方向的光强和形状变化规律:三维STED系统激发光峰值光强同二维STED系统一样均为7.54,z方向上的FWHM也不会发生变化均为617.2 nm,损耗光的中心点光强变化范围为0~2.08,并且η不变时,随着α增加损耗光的中心点光强呈正弦变化。三维STED系统中,有效PSF的峰值光强变化趋势同损耗光,而随着α从0°增加到180°,z方向的FWHM从214.4 nm增加到254 nm然后又减小到214.4 nm,呈周期变化,周期为180°。因此,α和η引入的偏振扰动对三维STED系统损耗光中心光强以及有效PSF峰值光强的影响同二维STED系统,而z方向的形状变化不同于二维STED系统:激发光z方向的形状不受偏振扰动影响。最后,基于偏振扰动对二维和三维STED系统聚焦光场影响的分析,本文提出了一种利用半波片和四分之一波片组合来补偿偏振扰动的方法,并且给出了详细的计算过程,以及四分之一波片需要转动的角度的函数表达式,为搭建实际光路提供理论计算依据。
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