0.36λ光束宽度纯纵向偏振超高斯光束的制作

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1、HarbinInstituteofTechnology二元光学研究报告报告题目：0.36λ光束宽度纯纵向偏振超高斯光束的制作小组成员：指导教师：报告时间：课程成绩：教师意见：哈尔滨工业大学显微镜发展历史世界上第一台光学显微镜于16世纪末发明以来，显微科学在现代科学研究和生产实践中产生了广泛而深远的影响。早在1665年，英国物理学家罗伯特·胡克（RobertHooke，1635-1703）在《Micrographia》（《显微图谱》）一书中实验记录了利用自制的复式结构光学显微镜在观察软木组织结构时观察到了构成生物

2、体的基本单元——细胞（Cell），胡克利用光学显微镜展示了丰富的微观生物世界。1873年，德国物理学家阿贝（ErnstKarlAbbe，1840-1905）利用一维光栅衍射相干成像建立了显微成像基本理论，揭示了显微成像的客观物理限制，存在衍射分辨率极限（DiffractionResolutionLimit），即任何完美的光学系统或光学仪器能够分辨的物体最小细节为da=λ0/(2NA)，其中λ0是照明波长，NA是光学系统数值孔经（NumericalAperture，NA），在真空或空气介质和可见光波段，光学仪器可

3、分辨的物体最小细节约为200nm，这也是任何精密复杂的光学仪器通常所能达到的极限（空间）分辨率。1896年，英国物理学家瑞利（LordRayleigh，1842-1919）进一步给出了非相干成像条件下物体两点分辨率的瑞利判据（RayleighCriterion），即显微成像系统可分辨的两点最小距离等于光学系统聚焦艾里斑（AiryDisk）的半径dr=0.61λ0/NA，这一判据成为评估大多数光学系统成像分辨能力的实用依据。一、存在问题不管是阿贝衍射分辨率极限还是瑞利判据，皆指出显微成像系统的空间分辨率都与使用的

4、照明波长λ0成正比，而与光学系统自身数值孔径NA成反比，因此为了获得更小的衍射聚焦光斑以及提高成像系统的空间分辨能力，需要采用短波长照明和工作在大数值孔径光学系统条件下。然而，短波长的使用，例如极紫外波长、软X射线和电子束等，由于缺少适用于这些特殊电磁波段的聚焦和成像介质材料，因此在光学电磁波段进行超越阿贝衍射分辨率极限的研究仍是理论和应用研究的基本方法。另外，由于光学系统的数值孔径NA=ηsinα（η是浸入液折射率，α是聚焦光锥的最大会聚半角），数值孔径的客观限制，例如油浸介质条件下目前商用显微物镜的数值孔径

5、最高为1.4，而即使使用具有更高折射率的固体介质，实际可获得的数值孔径依然受限。二、超分辨技术发展历史1873年至今一百四十年时间里，世界各国科学家和研究人员，针对超分辨聚焦及超分辨成像问题进行了大量卓有成效的理论探索和实践研究。例如，1928年，爱尔兰科学家E.H.Synge最早提出了近场扫描光学显微镜（Near-fieldScanningOpticalMicroscope，NSOM）的概念，Synge设想在光学近场区逐点扫描探测倏逝波（EvanescentWave）来获得超越衍射极限光学成像，但这一重要思想

6、由于受到当时纳米扫描技术和微加工技术等的客观限制，没有得以证实，直到1972年才得以在微波波段内验证，NSOM实现超衍射极限成像的基本原理是利用远场光学通常无法探测的近场非传输场——倏逝场，从而可以探测到包含物体更小细节的高频信息光场，最终在物理本质上突破远场光学成像的衍射分辨率极限，80年代NSOM在光学波段最终得以实现，现代NSOM可以实现水平方向数十纳米、垂直方向数纳米的超衍射极限分辨率。20世纪30年代中期发明的扫描电子显微镜（ScanningElectronMicroscope，SEM）以及随后出现的

7、扫描透射电子显微镜（ScanningTransmissionElectronMicroscope，STEM）通过聚焦电子束进行逐点扫描成像，由于利用波长极短的电子束聚焦可以获得极小的衍射聚焦光斑，从而使得电子显微镜可以获得比光学显微镜高2~3个数量级的高分辨率成像能力。实践证明：不管是近场扫描光学显微镜还是扫描电子显微镜的出现都深刻改变和极大促进了微观科学研究的历史进程。在扫描成像技术成熟和广泛使用的背景条件下，例如，在远场光学成像领域，1951年，英国伦敦大学学院J.Z.Young和F.Roberts阐述了飞

8、点显微镜（Flying-SpotMicroscope）扫描光学成像技术，20世纪50年代中后期，美国哈佛大学初级研究员M.Minsky在探索脑神经细胞成像的研究中，结合普通远场光学成像和扫描技术，提出了共焦扫描光学显微镜（ConfocalScanningOpticalMicroscope，CSOM）的基本概念，简称共焦或共聚焦显微镜（ConfocalMicroscope，CM），共焦显