基于光子纳米聚焦实现光学超分辨显微成像的理论与方法研究

The super-resolution optical microscopes have emerged as the most powerful tools available today. Based on capability of photonic nanojets in focusing light and narrow beams, the super-resolution optical microscopes are studied and experimented. By using Generalized Lorenz-Mie theory, the intensity distribution and full-width at half-maximum of photonic nanojets for micro-spheroid, coated micro-spheroid illuminated by Gaussian beam, Bessel beam are analyzed. The characteristics of photonic nanojets for microlens array are studied by using numerical calculation method. The analysis model for microscopy super-resolution imaging are given. The algorithm of distortion correction and noise reduction of image are discussed. The super resolution image processing model of microlens and microlens array is presented. The key technology of manipulation parameters for a laser beam, microlens to improve focusing properties and super-resolution capability is study. The researches will provide a theoretical basis for biology, chemistry, materials and medicine in the field of optical super-resolution imaging microscope design and application.

针对光学超分辨显微成像的迫切需求，本项目拟基于光子纳米聚焦的高强度、窄波束特性，开展典型微透镜超分辨显微成像机理和实验研究。利用广义米理论，分析微椭球、涂层微椭球等典型微透镜在高斯波束、贝塞尔波束等激光有形波束照射下，光子纳米聚焦强度分布、半高全宽等特性与显微成像分辨率的关系，采用数值计算等方法，研究微透镜阵列光子纳米聚焦的光场分布，建立典型微透镜及微透镜阵列的光子纳米聚焦超分辨成像的分析模型；对微透镜图像畸变矫正、噪声降低等算法进行分析，建立微透镜及微透镜阵列的超分辨率图像处理模型。探索优化激光波束、微透镜等参数，提高微透镜光子纳米聚焦超分辨成像的关键技术，为生物、化学、材料和医药等领域光学超分辨显微成像的设计及应用提供理论依据。

光学显微镜具有非接触、无损伤、可探测样品内部的特点, 其直观性和丰富的功能成像信息，使其在显微观测领域占据不可替代的地位。然而由于衍射的限制，传统光学显微成像系统的分辨率，一般为照明波长的一半。突破衍射分辨率的限制，探索光学成像系统超分辨显微技术，成为当今学科研究中最重要的前沿基础研究。本项目开展了光子纳米聚焦实现光学超分辨显微成像研究，采用广义洛伦兹米理论、离散偶极子近似、FDTD等方法，研究了平面波、贝塞尔波束、高斯波束入射下微球透镜、微椭球透镜、涂层半椭球微透镜、含杂质球微透镜等典型微透镜的光子纳米聚焦特性，结果表明光子纳米聚焦的具有聚焦能量强，聚焦的波束可以传播数个到几十波长，光束的收敛性极好等特性。长椭球微透镜的光子纳米聚焦特性极好，聚焦光斑半峰值宽度FWHM可以小到波长的三分之一，对于高斯波束，较小的束腰半径导致了更加显著的聚焦效应；提出了FDTD对激光有形波束的重构算法，改善了数值色散以及网格各向异性特性。实现了高阶FDTD中高斯波束、贝塞尔波束的重构，分析了微透镜阵列在有形波束入射下的光子纳米聚焦的光场分布，讨论了激光高斯波束参数、贝塞尔波束参数、微透镜的几何形状、折射率等因素对纳米聚焦光场分布的影响。比较了不同波束入射微透镜的纳米聚焦性能。搭建了实验平台，开展了超分辨实验研究，实验观测了微透镜和微透镜阵列的超分辨成像，在白光入射下，微透镜的分辨率可以达到波长的七分之一，实现了超分辨成像。项目期间，发表标注该项目基金资助的论文SCI论文14篇，培养了青年教师2名，使其科研能力得到了提高。培养了博士生5人、硕士生5人，其中3名博士和2名硕士顺利毕业，邀请国外专家讲座6次。项目的成果可应用于光学显微超分辨成像，可以非接触、无损伤直接观测活体细胞和病毒的结构特性、动态特征，具有直观性和丰富的成像信息(如颜色、透明度等)等，实现不接触样品的实时成像，提高了成像质量，在显微成像、光刻技术、纳米材料测量等领域具有重要的应用价值。