柱矢量波用于提高sted分辨率的研究

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1、柱矢量波用于提高STED分辨率的研究1.绪论1.1柱矢量光束光学是探索光的物理行为，光的物理特性以及光和物质之间相互作用机理的一门基础学科[1]。光具有很多重要的性质，其中光的偏振就是一种非常重要的物理性质。许多领域的应用都与光束的偏振态有非常紧密的关系，例如数据存储、光学检测、光学成像等。早期研究者对偏振态的研究多集中于空间均匀分布的均匀偏振光，如圆偏振光，线偏振光等，这种均匀偏振光束的偏振特性是其偏振态在同一空间平面上的分布是相同的，并不会随着位置或者空间的变化而变化。与线偏振光，圆偏振光等均匀偏振光束相对应的是非均匀偏振光，非均匀偏振光

2、的偏振状态在光束的横截面上随着位置和空间的改变而改变[2]。相比于均匀偏振光，非均匀偏振光束在传播、聚焦等方面具有非常独特的性质，近年来得到越来越多研究者的关注。在非均匀偏振光束中，最受人关注的就是柱矢量光束，柱矢量光束是一种具有轴对称特性的非均匀偏振光束，故也常被称为轴对称光束，它实际上是麦克斯韦方程组在柱坐标下的特征解[3]。这种柱矢量光束最大的特性就是其横截面的偏振方向和半径的方向始终保持着一定的夹角，这个夹角并不随着位置的变化而变化。图1.1列出了三种常见的柱矢量光束偏振模型，包括广义柱矢量光束，径向偏振光束，角向偏振光束。图1.1（

3、a）所示为广义柱矢量光束偏振模型，为光束偏振方向和径向之间的夹角，即偏向角。图1.1（b）所示为径向偏振光偏振模型，由图可知，径向偏振光横截面上任意一点（由于中心点处存在奇点，故中心点除外）的偏向角都为0，即径向偏振光的偏振方向都平行于半径方向；而角向偏振光与径向偏振光不一样，角向偏振光每一点（中心点除外）的偏向角都为π/2，即角向偏振光的电场矢量都与半径方向相互垂直，如图1.1（c）所示。径向偏振光和角向偏振光是广义柱矢量光束中的两种最特殊的偏振光。........1.2受激发射损耗显微术(STED)人们对微观世界的兴趣与探索可以追溯

4、到亚里士多德时期，伴随着16世纪第一台光学显微镜的发明，人们首次进入了微观世界[18]，在之后的近500年时间内，光学显微镜被广泛用于各个科学领域并发挥越来越重要的作用，尤其在生物学领域。随着科技的发展以及技术的更新，越来越多的光学显微技术被发明，图1.6列举出了一些常用光学显微方法的种类以及分类。这些成像质量日益提高、具有专门功能的显微镜不仅仅被用于生物学，还被广泛的用于其他学科，如生命科学、医学、材料学等，并最终带来了革命性的成果和技术变革。尤其近几年来，纳米技术和生物技术相结合已经逐渐成为当下研究者最热门的研究方向。纳米技术指的是对尺寸

5、在1-100nm的微粒的操作[20]，比如纳米光学成像，纳米加工，粒子捕捉等。在生物技术研究中，由于很多重要的生物体结构，包括细胞器，病毒等都处于1-100nm尺度之内。因此，一方面，这些纳米尺度的微小物体的研究需求推动了显微成像技术往超高分辨率方向发展。另一方面，能够实现超高分辨率的显微技术可以加速整个生命科学的研究进程。相比其它显微成像技术比如电子显微术，光学显微技术凭借其无与伦比的特异性标记以及对处于自然状态的活体细胞的快速成像能力而成为了最受欢迎的成像方式[21]。光学显微镜被认为是人类文明史上最重要的科学发明之一，因为光学显微镜可以

6、将微小的事物放大并观察其具体细节，因此可以被广泛的用于生物学、材料学等学科并带来突破性的成果。然而，光学显微镜并不是万能的，自德国科学家阿贝(E.Abbe)于1873年首次揭示了常规远场光学显微系统存在光的衍射效应以来，物理学界就公认远场光学显微系统存在一个远场衍射极限问题。远场衍射极限是指一个理想物点经远场光学系统成像之后并不能在像面得到一个理想的像点，而是这个物点的夫琅和费衍射斑，即通常所说的艾里斑[22]。每个物点经光学系统成像之后都会形成这样一个具有一定尺寸的艾里斑，如果两个物点靠的太近的话，他们成像区域的艾里斑就会相互重叠，这样这两

7、个物点就不好区分了，因此也就限制了系统的分辨率，艾里斑尺寸越大，分辨率越低。.......2STED横向分辨率的提高2.1暗斑的压缩方法在STED系统之中，为了追求更高的分辨率，往往就需要能够更有效的减小荧光分子的发光面积，这就要求损耗光束经显微物镜聚焦后所得的损耗光斑的光强分布满足以下特性：在激发光斑的边缘部分具有非常强的光强，同时在激发光斑的中心部分损耗光斑的光强等于0。为了满足如上特性，理想的损耗光斑应该是强度分布呈环状的中空面包圈光斑[25]。目前为止，已经有好几种方法可以生成这种面包圈光斑，比如圆偏振光束经0-2π螺旋相位板调

8、制之后再由高数值孔径物镜聚焦，这样可以在焦平面得到比较完美的面包圈光斑[37]，如图2.1所示。而作为柱矢量光束中最特殊的光束之一，角向偏振光在大数值孔径下能够直接