基于聚合物分散液晶的超衍射极限聚焦及其在扫描荧光显微成像中的应用

本课题主要基于聚合物分散液晶（PDLC）材料研究散射超衍射极限聚焦的物理机理、关键技术及其在扫描荧光显微成像中的应用。本课题将首先设计一种新型的实现散射超衍射极限聚焦的快速并行相位优化算法，并根据算法建立实验光路系统；实验优化选择适用于散射超衍射极限聚焦的PDLC材料的化学组分配比和制备流程（包括曝光条件、环境条件、工艺过程、样品的结构参数等）；研究测量聚合物分散液晶体系的传输矩阵的理论和实验技术，对PDLC的散射特性进行表征；利用PDLC电可调节特性，研究不同散射条件下，散射超衍射极限聚焦的特性，深入研究随机散射超衍射极限聚焦的物理机制；最后根据测量的PDLC传输矩阵和时间反演算法，提出一种基于散射超衍射极限聚焦原理的宽视场、快速电控扫描荧光显微成像技术，搭建实验演示系统。本课题的实施将丰富超衍射极限聚焦和超分辨成像的理论和技术手段，更深入的揭示散射现象的物理机理。

本项目执行期间主要对基于散射的超分辨聚焦现象和利用散射聚焦现象进行扫描荧光成像的技术进行了研究。本项目的研究主要基于的散射介质为聚合物分散液晶，首先对聚合物分散液晶的相分离过程进行了细致的研究，采用E7液晶和Noland 65光致聚合物作为基础成份，分别改变了液晶和聚合物的不同成份比例，研究了液晶微滴尺寸和液晶含量之间的关系。50%液晶比例所制备的PDLC具有良好的散射和电控特性。此外还分别对掺杂了直径为50nm和20nm的银纳米粒子的PDLC体系的相分离和光电特性进行了研究，实验证明50nm银粒子的掺杂在增强PDLC的散射特性的同时，也能提升PDLC的光电响应特性，这种效应源于银纳米粒子的表面等离激元效应。同时，也利用蓝相液晶作为散射介质，研究了蓝相液晶的散射特性，光电响应特性和偏振无依赖特性。.在材料优化的基础之上，搭建了传输矩阵测量光路，根据传输矩阵的测量和反演，可以方便的获得需要聚焦的相位调制模板，这种方法将聚焦的优化时间提升至5分钟。采用50nm银粒子掺杂的50%液晶含量的PDLC样品，可以实现半径尺寸为波长1/2的聚焦焦点。.基于散射体系的记忆效应，利用扫描振镜实现荧光扫描显微成像。在优化好的焦点基础之上，扫描一副10微米x10微米的荧光微粒图像的时间需要13分钟左右。.同时根据在研究过程中摸索的散射条件，以及相分离条件，还分别制备了偏振无依赖的微透镜阵列，实现了大面积的完全相分离，液晶微滴的直径达89.7 um，且驱动电压4V，具有偏振无依赖的特性。此外还利用蓝相液晶研究其散射特性及其偏振无依赖特性。.发表学术论文22篇，SCI索引22篇，其中IF>2的15篇。毕业博士生1名，毕业硕士生1名，在读硕士生4名。参加2次国际会议(Photonic West)，并作2次分组报告。