【摘 要】
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光学显微镜的出现推动了生命科学、医药科学和材料科学等众多领域的发展。由于光的衍射效应,传统光学显微镜的成像分辨率始终受限,极大限制了远场超分辨显微技术的进步。光学超振荡利用传播波在远场精确相干叠加,理论上可以在远场构建任意小的聚焦光场,这为从器件层面突破衍射极限,进而实现远场超分辨显微成像提供了新思路。近年来,利用光学超振荡器件照明和传统物镜收集实现超分辨显微在透射式共聚焦系统已经得到实验证明,但
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光学显微镜的出现推动了生命科学、医药科学和材料科学等众多领域的发展。由于光的衍射效应,传统光学显微镜的成像分辨率始终受限,极大限制了远场超分辨显微技术的进步。光学超振荡利用传播波在远场精确相干叠加,理论上可以在远场构建任意小的聚焦光场,这为从器件层面突破衍射极限,进而实现远场超分辨显微成像提供了新思路。近年来,利用光学超振荡器件照明和传统物镜收集实现超分辨显微在透射式共聚焦系统已经得到实验证明,但难以应用于反射式共聚焦系统。因此,面向远场、超分辨和反射式共聚焦显微对超振荡器件的需求,针对现有的超振荡器件难以实现对焦斑半高全宽压缩的同时抑制旁瓣等问题,开展超振荡器件研究,将具有重要科学意义和应用前景。本文首先针对现有光学超振荡器件存在焦斑尺寸压缩和旁瓣抑制的矛盾问题,提出了一种基于全介质超表面的超分辨共焦集成透镜。根据光学超振荡设计思想,针对波长λ=632.8nm的圆偏振光,基于几何相位型超原子实现对入射光场0~2π的连续相位调控,采用矢量角谱衍射理论和粒子群优化算法完成了超分辨共焦集成透镜的点扩散函数优化设计。设计结果表明:超分辨共焦集成透镜焦距为160λ,半径为540λ,数值孔径0.96,其点扩散函数半高全宽为0.415λ,低于阿贝衍射极限0.521λ(0.5λ/NA),旁瓣比9.92%,理论上实现了对器件点扩散函数半高全宽的压缩和旁瓣的同步抑制。另外,该透镜将照明透镜和收集透镜集成在同一石英玻璃基底上,在共同焦距位置处兼具超分辨照明和超分辨收集功能,有望代替反射式共聚焦系统中衍射受限的传统物镜,进而提高系统成像分辨率。其次,综合考虑透镜材料、结构特征尺寸和加工精度要求等因素,对化学气相沉积、电子束曝光和干法刻蚀等微纳加工工艺展开研究,进而完成器件的制备与电镜表征。最后,通过分析现有的超振荡光场测试手段,确定并搭建了基于宽视场、大数值孔径显微系统进行器件性能的测试,实验测试结果表明超分辨共焦集成透镜点扩散函数半高全宽为0.497λ,旁瓣比为33.67%。
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