无旁瓣超振荡光场的研究

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由于光的衍射和色散效应,成像系统存在一定的衍射极限,传统的分辨极限已无法满足科学研究者的需求,如何从本质上突破衍射极限,是当前研究的首要问题。自21世纪以来,主要从近场和远场两个方面来提高空间分辨率,近场技术主要是收集物体表面逐渐衰减的倏逝波,从而得到波场的精细结构。远场技术主要是通过激发的荧光分子标记物体,再精确定位荧光实现远场成像。但近场技术受到工作距离的限制,远场技术需要特殊的染料,都不能被广泛应用。随着在提高空间分辨率上的探索,超振荡现象进入科研者的研究视野,不依赖于倏逝场的情况下,光场的超精细结构可以传播到远场,并且无需特殊染料,为远场成像提供了新的途径。随后大量利用超振荡效应的远场聚焦微结构被设计出来,虽然可以得到突破衍射极限的聚焦光斑,但是光斑的周围不可避免地伴随着高强度旁瓣,并且需要复杂的算法去优化结构,限制了微结构的潜在应用。在此,我们设计了一种超振荡结构,无需优化算法,基于锐边衍射原理产生的超振荡波场能在远场得到无旁瓣的聚焦光斑,打破了超振荡特征尺寸与伴随高强度旁瓣的平衡。本文讨论了一维和二维无旁瓣超振荡光场的产生,具体内容为:第一,提出一种产生超振荡结构波场的新原理,即几何锐边衍射原理。几何锐边衍射诱导的高频分量在传播空间相干叠加得到聚焦光斑,依据该原理,我们设计了双月形锐边结构,首先介绍了该结构的设计步骤和工艺加工过程。其次,从理论和实验上研究了该结构产生超聚焦光场的机理,在结构的中心可以得到突破衍射极限的聚焦光斑,并且光斑在y方向没有旁瓣的产生。我们进一步得到该结构传播过程中不同位置的相位图分布,由中心区域的相位振荡频率验证该结构的超振荡效应。最后发现聚焦光斑的尺寸和位置与结构参数大小有关。第二,在一维无旁瓣超振荡光场的基础上,我们设计双月对形锐边结构,该结构由一对双月形组成,其独特的设计使得聚焦光斑在二维方向上没有旁瓣的产生。我们利用快速傅里叶算法进一步验证该结构的聚焦特性,并分析结构参数的影响。结构的尺寸同比例增大时,生成相同的聚焦光斑将在更远的位置,进一步推动远场超分辨成像的发展。
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