贝赛尔光束在光学显微成像中的应用研究

Bessel beams are one type of light field that can propagate "nondiffractingly". When such a beam experiences a disturbance, it can reconstruct or heal itself to recover its original form, i.e. "self-healing". The unique optical properties of Bessel beams lead to many applications in various fields, among which imaging applications have been just started in recent years. In this application we will study both theoretically and experimentally on how to fully utilize the optical properties of Bessel beams to enhance capabilities of fluorescence imaging of biological tissues. We will focus our research on the following four aspects: 1. generation and fine tuning of Bessel beams; 2. theoretical and experimental study of the beam propagation in scattering media; 3. application of Bessel beams in 3D imaging in deep tissue; and 4.3D super-resolution imaging in biological tissues. We will end it up with implementation of two novel imaging systems: 1) a fast two-photon fluorescence 3D imaging system, which will use the principle of a stereoscope to acquire 3D volumetric images when scanning two Bessel beams alternately; and 2) a super-resolution imaging system, which uses the structured illumination method to improve the resolution in XY plane and the STED method to improve the resolution in Z direction.

贝塞尔光束是一种典型的"无衍射"光束，其在传播途径中受到扰动时会有重新恢复的能力，即所谓"自愈合"光学特性。贝赛尔光束的独特性质在很多领域得到应用，但在应用于显微成像领域的探索自2010年才刚刚起步。本项目旨在利用Bessel光束的无衍射和自愈合等特性，从理论和实验上深入探讨其在生物组织荧光成像中的应用。我们将集中在以下这四个方面的研究：1、Bessel光束的产生和其参数的调控；2、无衍射光束在散射介质中传播特性的理论和实验研究；3、Bessel光束在深层组织中双光子荧光立体成像技术的研究；4、超分辨生物组织的三维成像的研究。最后的研究成果将集中在两套成像系统的建立：1）高速双光子荧光三维体成像，利用立体视镜的原理结合Bessel光的长聚焦扫描特点来获得三维图像；2）STED扫描结构光照明的超分辨成像系统，该系统用结构光照明实现XY方向的分辨率提高，用STED的原理实现Z方向的分辨。

贝塞尔光束是一种典型的"无衍射"光束，其在传播途径中受到扰动时会有重新恢复的能力，即所谓"自愈合"光学特性。贝赛尔光束的独特性质在很多领域得到应用，但在应用于显微成像领域的探索自2010年才刚刚起步。本项目旨在利用贝塞尔光束的无衍射和自愈合等特性，从理论和实验上深入探讨其在生物组织荧光成像中的应用。在此基金项目的资助下，我们设计并完成了两套显微成像系统：基于贝塞尔光束的双光子激发激光扫描立体荧光显微系统和利用分幅原理的高速平面照明显微成像系统，还开展了大量的相关基础研究，具体包括：1).贝塞尔光束的产生和其参数的调控。实现了利用空间光调制器产生贝塞尔光束的方法，利用角谱传播方法和遗传算法对贝塞尔光束实现了精确的参数调控，包括轴向强度分布、焦深长度、中心瓣直径以及倾斜角度等。此工作为基于贝塞尔光束的显微成像系统提供了可靠的设计手段和分析方法。2). 无衍射光束在散射介质中传播特性的理论和实验研究。结合散射介质的分层传输模型和角谱理论，系统研究了不同参数的贝塞尔光束传输过程中中心光斑的自愈合情况，并研究了贝塞尔光束在散射介质中传输及其荧光收集的整个过程，这项工作为分析利用特殊光束激发，并且需要考虑样品本身影响的荧光成像系统提供了一种快速可靠的分析手段。3).贝塞尔光束在深层组织中双光子荧光立体成像技术的研究。提出并实现了基于扫描贝塞尔光束的立体荧光显微系统，首次提出了贝塞尔光束的多振镜多自由度扫描装置，实现了双视角扫描成像延迟在毫秒量级的软硬件控制，达到了对三维样品至少1.4Hz的立体成像速度，为非线性光学成像领域提供了一种新的高速成像手段。4).开展贝塞尔光束在光片照明显微和超分辨光学显微中的研究。提出并完成了基于分幅相机原理的平面照明显微成像装置，利用普通的低速成像设备(30帧/秒)实现了高达960帧/秒的成像速度，为高速超分辨成像提供了一种新的方法；提出了一种只需两次曝光就可进行层析图像重构的算法，相比传统的三幅图像超分辨重构，大大提高了系统的总体成像速度；利用区域分割的遗传算法对在散射体中的STED光束进行了优化和参数控制，为散射体中的超分辨成像提供了一种有效的思路。