折射率显微镜技术及其应用研究

Refractive index(RI) is one of the basic optical parameters of materials. In the area of diagnosis of disease and manufacture of optical information devices, the requirement for information of refractive index distribution is growing for a lot of problems of precisely measurement requir the RI information . This project offers a new technology to measure the refractive index distribution with high resolution- - refractive index microscopy. The theory, technology and appliance of refractive index microscopy through experimental measurements and theoretical simulations are investigated. We make an intensive study of RI distribution measurements on biological tissues and optical information devices. The influence of rough surface effect and the turbid medium light scattering on precisely measurement of the RI distribution are discussed. The results of this research play an important role in early diagnosis of disease and preparation of optical information devices. In this project, first, we provide focused total internal reflection method and total internal reflection microscopy, and then apply this method to set up the refractive index microscope. Experiments are carried on to improve the spatial resolution and the speed of the microscope. Secondly, we investigate the influence of rough surface effect and the turbid medium light scattering effect on RI distribution; and propose an effective way to decrease the rough surface effect. Finally, we carry out the relative research on the relationship between the RI distribution and diagnosis of disease. Research are also carried on other optical fields concerning RI distribution, such as refractive index photomicrographic on optical waveguide devices, and laser induced refractive index changes in devices.

折射率是表征物质光学性质的基本物理量之一。在疾病诊断、光信息器件制备等方面对折射率分布测量的需求越来越大，且其准确测量的很多问题亟待解决。本项目提出一种高分辨测量折射率分布的全新技术-折射率显微成像技术。拟通过实验测量与计算模拟相结合的方式，开展折射率显微的原理、技术及其应用等研究。对生物组织和光信息器件进行折射率显微成像研究，开展粗糙表面效应和浑浊介质光散射对准确测定折射率分布影响的研究，其研究结果对疾病早期诊断、光信息器件的制备等方面有重要的意义。拟开展的主要工作：提出聚焦全内反射法和显微全内反射法，并应用此方法组建折射率显微镜，研究提高其空间分辨率和测量速度的方法；分别采用实验和模拟研究的方法，得到粗糙表面效应和浑浊介质光散射对折射率影响的具体关系，提出和实现去除粗糙表面效应的方法；开展折射率分布与疾病诊断之间关系的研究；开展光波导器件、光致折射率变化器件的折射率显微成像研究。

折射率显微成像是生物医学定量光学成像及光波导成像领域的重要研究手段，在医学、光波导、材料等领域都有不可或缺的应用价值。搭建了扫描聚焦折射率显微镜样机一台，包括光路系统的搭建、三维精确定位系统、光学成像系统、信号接收模块以及上位机的驱动控制程序。在数据处理部分，我们在导数全内反射法的基础上，提出了适合该系统的折射率处理计算方法。结合系统实际参数，系统地表征了空间分辨率、精确度、灵敏度、成像效率等若干重要参数。 . 仪器校准方面，我们利用不同浓度的食盐以及蔗糖梯度液对该系统的可行性进行了系统标定。应用方面，我们利用扫描聚焦折射率显微镜样机对光波导产品的折射率分布、共培养细胞和光学非线性材料等物质的折射率进行了研究。使用宽场光学显微镜对格林棱镜和光纤两种典型的光波导材料进行观察，测量了折射率轮廓测量。在细胞折射率成像部分，我们分别培养了小鼠滑膜细胞和癌细胞，并在两种细胞的培养环境下进行了活体细胞的折射率成像；之后对小鼠滑膜细胞和癌细胞进行了共培养，在两种细胞共同存活的状态下进行了折射率显微成像。我们将这些成像结果分别和光学照片进行了对照分析。我们利用特定波长对光色材料甲基红和重铬酸盐明胶样品进行调制，并扫描其显微折射率分布，探究更细微的折射率信息，进行调制质量检测。此外，检测了甲基红在特定波长照射下折射率随时变化曲线，计算了三阶非线性系数。测量结果和传统的Z扫描技术进行了对比和分析。. 针对混沌介质，通过在系统中加入额外的标准散射层，在Henyey-Greenstein相函数的理论基础上，提出了一种浑浊介质的复折射率测量方法，并在理论和实验两方面进行验证。浑浊介质复折射率测量为扫描聚焦折射率显微技术应用开辟了新的道路。