纳米分辨的偏振差异多焦点远场显微成像方法及关键技术研究

纳米分辨远场光学显微成像技术在生命科学等领域中极为重要，但是由于成像系统有限孔径的衍射限制，远场光学显微镜分辨率很难超过100nm。此时利用照明光波矢量特性成为了一条重要的实现纳米分辨的途径。本项目拟通过矢量光波聚焦特性的研究，分析光波偏振态、强度分布、位相分布和焦区场分量对多聚焦光斑大小影响的原因及其控制方法，设计出一种最佳的能够产生高分辨率多焦点的矢量光束。并利用其作为照明光源，完成分辨率能够达到70nm-100nm的偏振差异多焦点远场显微成像方法及关键技术研究，建立相应的实验研究平台，解决并掌握具有自主知识产权的最重要关键技术，即偏振差异成像技术、多焦点高速并行探测技术、与偏振差异多焦点远场显微成像原理相匹配的高精度图像重构算法和最佳矢量光束的高纯度产生方法。为70nm-100nm分辨率的远场光学显微成像提供一种解决方案，为生命科学等领域提供一种新型的纳米级远场光学动态观测手段。

纳米分辨远场光学显微成像技术在生命科学等领域中极为重要。此时利用照明光波矢量特性成为了一条重要的实现纳米分辨的途径。本项目拟通过矢量光波聚焦特性的研究，分析光波偏振态、强度分布、位相分布和焦区场分量对多聚焦光斑大小影响的原因及其控制方法，设计出一种最佳的能够产生高分辨率多焦点的矢量光束。并利用其作为照明光源，开展分辨率能够达到70nm-100nm的偏振差异多焦点远场显微成像方法及关键技术研究，解决并掌握具有自主知识产权的最重要关键技术。在本项目支持下，我们深入研究了光波矢量特性对聚焦光场的调控机理，对光波偏振态、强度分布、位相分布等因素对聚焦光斑大小影响的原因及其控制方法研究取得了重要进展。例如，我们充分利用柱偏振高阶拉盖尔矢量光束的亚波长聚焦特性，将多环带二元相位光瞳滤波器引入成像系统，同时提出了一套易于执行的多环带二元相位优化调制优化算法，成功设计出一种能够实现突破衍射极限的17环带相位光瞳滤波器，从而成功构造出传播长度为9.5lambda、横向宽度为0.41lambda的光学纵波，同时又使得转换效率达到了37.3%，这一结果远远优于Nature Photonics, 2, 501-505 (2008)上报导结果（传播长度为4lambda、宽度为0.43lambda、转换效率20%）。另外，我们将光波矢量特性与介质微球结合，实现了近1/4波长的超分辨率增强，对于蓝光405nm照明时成像系统分辨率将近似达到100nm；研究了各种特殊矢量偏振光的产生方法、高分辨率的高速偏振差异成像方法、多焦点光束焦点分离方法等；成功建立了一套基于偏振差异多焦点成像原理的纳米分辨远场光学显微成像的实验系统。取得了一定的研究成果，发表相关学术论文12篇，其中SCI检索10篇，被Web of Science数据库累计他引60余次，授权国家发明专利6项。