基于矢量超分辨透镜的超分辨显微

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近年来,突破光学衍射极限,实现超分辨显微成像已成为光学研究热点。光学超振荡的提出从器件层面上突破衍射极限,为实现非标记远场超分辨成像提供了新的思路。目前非标记远场超分辨成像系统所使用的照明光束多为标量光场,聚焦焦斑压缩与旁瓣抑制存在矛盾,矢量光场如径向偏振光可以比标量光场聚焦更小尺寸的焦斑,对提高显微分辨率具有重要意义。然而矢量光场测量方法缺乏理论证明,并且无法独立快速地测量聚焦光场的三个偏振分量。因此,本文提出一套聚焦光场偏振测量理论,设计聚焦光场偏振测量实验系统,研制矢量超分辨聚焦透镜,实现基于矢量超分辨透镜纵向偏振光场照明的超分辨显微。论文的主要工作有:(1)提出基于偏振转换显微的聚焦光场偏振测量理论,从理论上研究聚焦焦斑横向偏振光场和纵向偏振光场的测量方法。设计并搭建可以快速且独立测量聚焦光场三个偏振分量的实验测试系统,编写上位机测试软件,测量线偏振光、圆偏振光和径向偏振光超分辨聚焦光场,实验结果与理论结果吻合较好。(2)针对波长λ=632.8 nm,开展矢量超分辨聚集透镜的设计、Comsol仿真、加工和实验工作。该透镜半径R=300λ(189.84μm),焦距f=100λ(63.28μm),数值孔径NA=0.95,对应的衍射极限为0.527λ(0.5λ/NA)。实验结果表明,该透镜聚焦后的横向偏振光场内径半高全宽为0.32λ,峰值旁瓣比为35%,纵向偏振光场半高全宽为0.42λ,峰值旁瓣比为18%,总场半高全宽为0.44λ,峰值旁瓣比为18%,同时在焦距位置附近形成长约7λ的超分辨光针。(3)设计基于矢量超分辨透镜纵向偏振光场照明的超分辨显微系统,制备不同周期的亚波长光栅样品,驱动二维纳米位移台对样品进行扫描,实现0.41λ的成像分辨率。
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