基于连续激光输出的受激发射损耗（STED）光学超分辨系统的理论和实验研究

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1、分类号：０４６９学校代码：１０６９７密级：公开学号：２０１４２０５３２ＮｏｒｔｈｗｅｓｔＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ颀士字位论文ＭＡ＊ＳＴＥＲＳＤＩＳＳＥＲＴＡＴＩＯＮ基于连续激光输出的受激发射损耗（ＳＴＥＤ）光学超分辨系统的理论和实验研究学科名称：凝聚态物理凯作者：：秦海芸指导老师赵ｉＳ伟副教授西北大学学位评定委员会二〇一八年TheoreticalandexperimentalinvestigationsonStimulatedEmissionDepletion(STED)microscopysystembasedonCont

2、inuous-WavelasersAthesissubmittedtoNorthwestUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementsforthedegreeofMasterinCondensedMatterPhysicsBySupervisor:WangKaigeandZhaoWeiJune2018西北大学学位论文知识产权声明书本人完全了解西北大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。本人授权西北大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库

3、进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所等机构将本学位论文收录到《中国学位论文全文数据库》或其它相关数据库。保密论文待解密后适用本声明。学位论文作者签名：指导教师签名：2018年6月4日2018年6月4日--------------------------------------------------------------西北大学学位论文独创性声明本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，本论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包

4、含为获得西北大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：2018年6月4日摘要摘要受激发射损耗（StimulatedEmissionDepletion,STED）显微技术作为一项新型的显微成像技术在生物医学领域受到了广泛关注。该技术于1994年由Hell提出，并在2000年通过实验得到验证和实现。STED技术基于荧光显微镜方式，突破了光学衍射极限对传统显微系统空间分辨率的束缚，从而实现了超分辨率荧光成像。本论文工作首先基于空间光的波前相位调制，利用Debye积分方法，数值研究了不同

5、相位板函数和光束的偏振态对STED显微成像系统的焦斑分布和尺寸的影响，我们发现角向偏振光是中心光强为零的圆环光，相较于以往在实验中使用的螺旋相位板调制的消激发光而言，角向偏振光的“暗斑”具有更小的半高全宽（FWHM）。随后，基于已经报道的STED显微成像系统的实验成果，从文献中提取已有数据（激发光和消激发光波长以及它们所对应的功率，所用染料和分辨率），从而拟合评估其饱和光强（saturationintensity）。进而，在知道饱和光强的条件下，我们采用螺旋相位板调制的角向偏振光为激发光和没有经过任何调制的角向偏振光为消激发光的组合得到了优于以往使用右旋圆偏振光及螺旋相位板的受

6、激发射损耗(STED)系统的分辨率。其中，分辨率最高可以提高67%。然后，本人对连续激光（CW）作为激发光和消激发光的CWSTED系统的相关理论进行了研究。虽然CWSTED系统已经被研究并开发了近十年，但相应的抑制函数一直是借用短脉冲（皮秒、飞秒）激光STED的理论开发出来的，基于CWSTED的抑制理论模型尚未完全建立。本研究详细阐明了连续激光STED的抑制函数及其受多种光学、材料参数的影响。对基于皮秒脉冲激光的STED系统而言，其抑制函数由消激发光的强度和饱和光强参数控制，而CWSTED的抑制函数主要由消激发光和激发光的强度比决定，此外，CWSTED的分辨率对荧光淬灭速率（?

7、?）和荧光发光速率(???)具有高度敏感性,且分辨率随着??和???的增加而增加，但对振动弛豫速率(rateofvibrationalrelaxation，????)的变化不敏感。即使在不知道文献中饱和强度的前提下，我们的理论模型与已经发表文献中的实验结果保持了高度的一致性。这项研究对于指导新型连续受激发射损耗（CWSTED）显微系统的开发具有重要价值。最后，我们对Coumarin102染料的损耗效率进行了实验研究。并且详细地调查了激发和消激发光功率以及染料浓度对损耗效率的影响。同时，对Co