矢量光场调控在显微成像上的应用研究

The vectorial diffraction theory is more rigorous than the scalar theory to describe the processes of tightly focusing and imaging. This project plans to harness the total point-spread function (PSF) for a microscopic system by vectorial optical field modulation, which would overcome the bottleneck of ‘dark field imaging' and result in a sharper total PSF. The microscopic system can be improved by the vectorial optical field modulation for a wide range of samples without non-linear effect and fluorescence labeling. The project will complete the theoretical description of confocal imaging when both the incident and the detection light fields are multi-modulated. Optimal modulation configuration will be chosen for an experimental setup. The goal of this project is to build a far field confocal microscopy with sub-100 nm resolution for the samples in water surrounding. The project will extend the applications of vectorial light field and promote the techniques and applications of nano photonics.

相比标量衍射理论，矢量衍射理论能更准确的描述光场的紧聚焦和成像过程。本项目创新性的提出了利用矢量光场的多参量调控（相位、振幅、偏振等）对激发和探测点扩散函数的进行双重优化的方法，以克服“暗场成像”瓶颈；在压缩总点扩散函数的同时具有高对称性的成像过程。这种提高显微成像性能的方法，不依赖于非线性和荧光标记，与现有超分辨技术相比具有更广泛的样品范围且更容易操作。项目拟完善复杂光场调控情况下的（共聚焦）显微成像的矢量衍射描述，利用优化的光场调控方案搭建高性能的共聚焦成像系统，着重进行显微成像系统的装置和仪器化研究，以实现亚100nm分辨的液下环境远场显微成像（无需标记），对拓宽矢量光场的应用领域，推动纳米光子学技术的发展和应用具有重要意义。

本项目围绕矢量光场调控在显微成像上的应用研究，主要发展多参量空间光场调控技术，并将其集成到共聚焦扫描光学显微系统中；通过对激发点扩散函数和探测点扩散函数的双重优化调制，寻找更适合显微成像的总点扩散函数。在共焦成像中，进一步探测收集光场的偏振、相位等信息，针对不同样品分析结构光场与结构材料的相互作用过程。理论上重新整理的矢量共聚焦的线性和非线性激发理论，使得原本复杂繁多的公式，可以用统一的形式去表达，通过统一形式套用不同空间光调制函数，可以直接得到其矢量光场共聚焦成像的总点扩散函数，而不需要根据不同调制场从入射光开始计算。实验中，搭建了三个类型的矢量光场调控共聚焦成像系统，包括：矢量调控的耦合模块，能够直接放置到共聚焦显微镜中；笼式的共聚焦显微镜和基于开放式共聚焦显微镜的矢量光场调控成像装置。也搭建了蓝光激光器（405nm）实现了<90nm的分辨率的笼式共聚焦显微镜。本项目同时开展了多贝塞尔光束的生成方法及其沿轴传播特性并将多贝塞尔光束在应用于共焦显微成像方面中。利用贝塞尔光束的无衍射性来提高共聚焦显微镜的视场深度，同时贝塞尔光束本身还就具有更小的光斑尺寸，因此该成像系统具有超分辨特性且有超长景深以及扫描速度。在实际扫描成像应用中，调控光场对光路系统和样品介质环境的要求很高，光学系统的像差和介质的非均匀性（散射）都会严重影响最后紧聚焦光斑的质量和共聚焦成像质量，从而迫使课题组开展克服散射影响的成像恢复研究。在克服散射影响的成像恢复方面也取得了若干有影响力的成果。