突破衍射极限的方法
为什么中红外波段如此重要？
为什么中红外波段如此重要？中红外辐射通常定义为波长处于2.5-25μm（尽管定义会发生变化）的电磁波，可用于检测，鉴定和成像分子，从而具有广泛的应用。
1、本文包含以下内容：1）应用：气体光谱（TDLAS）；环境监测；生物医学；纳米成像2）光源3）驱动器4）中红外探测器5）中红外光学器件6）有用工具的链接2、背景：分子由两个或多个原子通过化学键结合而成，分子除了转动运动外，分子内原子之间存在弯曲、伸缩、剪切、扭曲和摇摆等振动运动，因此分子可以以不同的激发态形式存在。
通过特定的官能团，所有这些能态都可用于识别各种材料。
为了探测这些能态，可以在振动光谱技术中使用红外光，例如近红外，拉曼和中红外。
由于中红外光与基频振动相互作用，因此提供了更强的光谱特性和更多的识别特征。
共价键的典型红外吸收位于600-4000cm-1。
（在光谱学中，通常以厘米的倒数，即波数来表示跃迁频率。
将该量乘以光速（c）得到频率，单位为赫兹；因此1 cm-1约为30 GHz）。
下图显示了各种类型的化学键通常吸收的光谱区域。
例如，如果在2200-2400 cm-1附近出现一条尖锐的吸收带，则表明可能存在C-N或C-C三键。
范围从500到1500cm-1的光谱区域被称为“指纹区域”或“光谱指纹”。
这是一个复杂的光谱区域，有大量重叠的谱带。
由于分子具有不同的官能团，因此可以使用中红外光谱识别分子并表征其结构。
由于混合物的中红外光谱是各组分的光谱叠加而成的，因此依照光谱特征可以测定混合物中各组分的含量。
3、应用：气体光谱可调二极管激光光谱技术（TDLAS）是一种非常强大的分析技术，可实现ppm甚至ppb 量级气体浓度的高选择性和高灵敏度测量。
它允许进行原位非接触式测量，这些测量具有高选择性和较低的成本。
常见气体这些气体常用于能源发电，石油和天然气行业，例如火力电厂氨气分析，天然气管道和乙烯生产中的质量控制，也用于有害气体的泄漏控制和过程优化。
STED显微镜
4pi显术简介
4pi也是HELL发明的.而样品的成像通过两个物镜的 亚衍射尺寸的光斑来扫描样品实现的.
缺点 1.需要强光,能量利用率低. 2.过强的光还会引起光致漂白. 3.略贵 4.应用范围较窄 受激损耗的原理也可以应用在其它地方,比如近年来 在纳米光刻领域引起重点关注的双光束刻录技术.
受激发射损耗的基本原理
如果你有一根粗笔，怎么能够用它画细线？ 买块橡皮。先画个粗的，再擦去两边的多余部分. STED用的就是这个原理。 使用一种合适的激光,仅激发一个点的荧光基团使其 发光,然后再用一个面包圈样的光源抑制那个点周围 的荧光强度,这样就只有一个点发光并被观察 了.
受激发射损耗的基本原理
损耗光的波长要选在荧光发射谱的红边,以避免重激 发,激发光与损耗光的时间差要选的合适,既保证有 荧光产生,又能保证一定的损耗几率.
STED荧光显微镜示意图
环形的损耗光是利用一个位相片进行光位相调制， 最终在焦点处形成环形光分布。 按顺序先给激发脉冲(2ps左右)，等荧光物质跃迁上 去了,马上给一个受激辐射波长的脉冲（250ps左 右），用二向色镜区分受激辐射跟自发辐射，探测 过来的自发辐射信号,移动样本就可以三维成像. 起初的主要用于突破STEM显微镜主要用于突破横 向衍射极限 ,横向分辨率可达70nm,而轴向分辨率还 较低, 因为有限的孔径角导致轴向分辨率降低. 近来将和4pi显微术互补性地结合 ,在技术上扩大了 有效孔径角.目前已经获得了100nm的轴向分辨率.
某种染料的光谱.图中蓝色曲线为激发光谱,红色曲线为发射光 谱.620nm~850nm均有可能,670nm最大.这是自发辐射.
STED的发明
STED 受激发射损耗显微术是在 1994 年被施特芬-赫 尔开发出来的,当时赫尔正躺在研究生公寓的床上看 一本有关光学量子理论的书,突然灵光一闪,就发明 了STED. Stefan W. Hell（生于1962年)物理学博士学位，1990 年开始在海德堡大学学习，后留在海德堡欧洲分子 生物学实验室研究.1993年到1996年，他曾作为高级 研究员，在芬兰土尔库大学开发受激发射损耗显微 镜 .1996年，他在哥廷根的马克斯普朗克生物物理 化学研究所，在那里他建立了他目前的研究小组， 致力于高分辨率显微镜的研究。
光学衍射极限的突破
光学衍射极限的突破纪岚森，仵云龙，李岷池，贺杰（青岛大学物理科学学院2011级材料物理1班）摘要：由于光学衍射极限的存在，使得在电子科技上边很难达到人们期望的高分辨率，然而光学衍射极限并不是不能克服的。
除了减小光波长与增加孔径外，我们还可以通过改变光路来突破艾里斑衍射极限。
减小艾里斑在很多的方面都有极其重要的意义，这里讲述的是艾里斑对显微镜技术突破的一些介绍。
关键词：艾里斑，显微镜，光学衍射极限1引言：在大量的电子图像应用领域，人们经常期望得到高分辨率（简称HR）图像。
高分辨率意味着图像中的像素密度高，能够提供更多的细节，而这些细节在许多实际应用中不可或缺。
例如，高分辨率医疗图像对于医生做出正确的诊断是非常有帮助的；使用高分辨率卫星图像就很容易从相似物中区别相似的对象；如果能够提供高分辨的图像，计算机视觉中的模式识别的性能就会大大提高。
同时随着生命科学的迅猛发展三维光学显微技术也已经成为研究生命过程的一种极为有效的工具，但是传统的基于荧光共焦技术的成像方案受到光学衍射极限的限制，其横向和纵向的数量级均在百纳米，因而无法满足科学技术发展的需要，利用各种非线性光学荧光激发方案已经打破光学极限的方案已经实现，然而这种光路较为复杂，通过其他的方法构造出来的奇异光线也是能够实现科学家长期最求的三维远场光学的超分辨成像。
根据瑞利衍射极限任意的光学系统成像就会在像方产生一个光斑，而这个光斑是无法通过改变显微镜的结构来实现的，也就是说，无论是共焦显微镜或是宽场显微镜这个光斑都是存在的，而这个光斑就是我们所说的爱里斑(Airy disc) 由于光的波动性，光通过小孔会发生衍射，明暗相间的条纹衍射图样，条纹间距随小孔尺寸的减少而变大。
大约有84%的光能量集中在中央亮斑，其余16%的光能量分布在各级明环上。
衍射图样的中心区域有最大的亮斑，称为爱里斑。
爱里斑的角度与波长(λ)及小孔的直径(d)满足关系：sinθ=1.22λ/d，θ即第一暗环的衍射方向角（即从中央亮斑的中心到第一暗环对透镜光心的张角），因为θ角一般都很小，有sinθ≈θ，故θ≈1.22λ/d。
论如何突破光的衍射极限,提高光学及电子显微镜的分辨率
学显微镜的分辨率是 ２００ｎｍ。若要提高分辨率就要选择更小波 衍 射 图样 。
长 的电子显 微镜 ，分辨 率可达 ０．５ｎｍ。
为什 么光学显微镜的分辨率是受限于＇ Ⅱ丁见光的波长 ，就是
此光 学显 微镜 的分 辨 率是 ２００ｎｍ。若要 提 高分辨 率就要 选择 更 小波 长的 电子显 微镜 ，分辨 率可达 Ｏ．５ｎｍ。本 文探 讨如何 突破 广德
衍射 极 限 ，从 而提 高光学级 电子 显微镜 的 分辨 率 。
关键 词 ：光 的衍射 ；显微镜 分辨 率 ；提 高
中图分类 号 ：ＴＨ７４２
离 越小 ，分 辨率 越 大 。
于光波的波长时，光子容易绕射过去继续 向前直线传播或绕射
光 学显 微镜 的分辨 率是 受限 于可 见光 的波 长 ，就 是 说 当被 并 撞击 到障 碍 物边 缘 的 正 面或 背 面形 成 反射 从 而 形 成 偏 离 几
观察 的物体 小于 可见 光波长 １／２时 ，就无法 在被 观察 到 。因此 光 何 光学 中直 线传 播 的光 ，并在 屏幕 上 相叠 加 形成 的明 暗 条纹 的
时 ，光才能 发生 明显 的衍射 现象 。由于 可见光波 长范 围为 ４ｘｌ０－Ｔｍ 小于 可见光 波长 １／２时 ，就无法 在被 观察 到 ？
至 ７．７ｘｌ０－Ｔｍ之 间 ，所 以 日常生活 中很少 见到 明显 的光 的衍射 现 由 以上 实 验可 知 ：当 小孔 （窄缝 ）或 障 碍 物 的尺 寸 比光波 的
缝 、一 根细 丝时 ，可以清 楚地 看到 光的衍 射 。用单 色 光照射 时效 宽度 。当小 车的 宽度 大于公 路 的宽度 的时候 ，由于 空间 不够 ，车
果好 一 些 ，如果 用复 色光 ，则 看到 的衍射 图案 是彩 色 的。
衍射极限
衍射极限是指一个理想点物经光学系统成像，由于衍射的限制，不可能得到理想像点，而是得到一个夫朗和费衍射像。
因为一般光学系统的口径都是圆形，夫朗和费衍射像就是所谓的艾里斑。
这样每个物点的像就是一个弥散斑，两个弥散斑靠近后就不好区分，这样就限制了系统的分辨率，这个斑越大，分辨率越低。
这个限制是物理光学的限制，是光的衍射造成的。
这种衍射限制本质上来源于量子力学中的测不准关系限制。
对于给定频率的光子，当它在某个方向上的动量范围给定时，它的分辨率也就定了。
一般当一个艾里斑的中心和另一个艾里斑的边缘暗环刚好重合时，认为两个像斑刚好能够分辨（瑞利判据）。
这一现象用傅立叶分析理论可解释为：携带物体信息的入射光波的傅立叶分量中，较大的横向分量对应着高频成分，代表着物体的细节部分；但含高频横向分量的光波因满足2222x y k k w c +〉 (k x 、k y 为波矢量K 在x和y 方向分量，ω为光波角频率、c 为光速，传播方向为z 轴)而成为倏逝波，倏逝波在传播过程中因振幅呈指数衰减而无法到达像面，不能参与成像，造成物体细节部分的丢失，因而普通透镜的成像总是有缺陷的。
图1. 艾里斑图形（三维强度值和和平面图像）衍射极限公式是sinθ=1.22λ/D 。
其中θ是角分辨率，λ是波长，D 是光圈直径。
当θ很小时，sinθ约等于tanθ，约等于d/f ，其中d 是最小分辨尺寸，f 是焦距。
推导出d/f=1.22λ/D 。
显微镜的可分辨的最小线度为：δy=0.61λ/N.A.，其中N.A.为镜头的数值孔径。
目前，普通显微镜的分辨率一般为200nm 以上。
突破衍射极限：在物理概念上从只使用实数推广到使用虚数；从物理上讲，属于从传统中那样使用实光子辐射场推广到使用非辐射的虚光子场（不在光子质壳上的光子都是虚光子），前者就是传统中的光学成像，后者则属于近场成像。
产生电磁波的源都可以称为天线。
天线产生辐射远场和非辐射近场，前者包括我们通常看到的一束光，它在真空中传播，幅度不会衰减；后者则随空间距离迅速衰减，主要局域于天线附近，属于局域性的电磁波，或者附在材料表面附近的“表面波”。
突破光学衍射极限
为了实现这一想法，需要寻找一种各向异性且电导率（磁导 率）为负值的介质。这就是所谓的“完美透镜”理论。本来 在介质中衰减的高频分量得到了放大，不过相应地本来正常 传输的频率能量将会衰减。 在此基础上还出现了在出射面叠加调制光栅，将高频分量调 制成低频信号传输，并在像方对其进行还原。
2、突破光学衍射极限的方法
2、另一种通过改变光学的点扩散函数大小来提高分辨率的 方法称为结构照明显微成像技术(SIM)，最早是由美国的 Gustafsson 教授实现的。其原理是通过有结构的光学照明产 生的莫列波紋来提高图像的分辨率。通过结构照明的方法， 能将分辨率提高 2 倍。如果想再提高，则需要用到饱和结构 照明成像技术(SSIM)。其原理是利用了荧光发射对照明光的 非线性效应，分辨率可以达到约为 50 纳米.
成为一个理想的点，则可以使光学系统突破衍射极限。 为了实现这一想法有两种可行的方法：
1、通过物理手段减小点扩散函数，其典型的应用是受激发射损耗荧光显微 成像技术（STED）。其原理是：在用普通的激发光使荧光物质发光的同时， 用波长较长的高能量脉冲激光器产生一束环形的耗竭光将荧光物质猝灭，从 而减小荧光点的发光面积，显著提高分辨率。 其点扩散函数半高宽可以表示为：
x , d ~ y exp j 2 x ~ x ~ x y Pd ~
i i i 0
i
~ y0 ~ y d~ x d~ y
即脉冲响应由点变为了艾里斑，故分辨率受限
2、突破光学衍射极限的方法
2、突破光学衍射极限的方法
kx
kz
kx
kz
2、突破光学衍射极限的方法
M ( xi ~ x0 , yi ~ y0 )
~ ~ ~ ~ ~ ~ exp j 2 [( x x ) x ( y y ) y ] d x d y i 0 i 0
衍射极限艾里斑分辨率-概述说明以及解释
衍射极限艾里斑分辨率-概述说明以及解释1.引言1.1 概述在概述部分，我们将介绍衍射极限艾里斑分辨率这一主题的背景和重要性。
衍射极限艾里斑分辨率是一种用于评估和描述光学系统分辨能力的指标。
光学系统的分辨能力是指其能够将空间中两个点状物体分辨为两个离散的点的能力。
衍射极限艾里斑分辨率的概念源于19世纪的衍射理论和光的波动性质。
根据衍射理论，当光束通过一个孔径较小的光学系统时，光的波动会导致光斑的扩散和干涉现象，从而限制了系统的分辨能力。
艾里斑分辨率是一种经典的衡量光学系统分辨能力的方法。
它是由物理学家Ernst Abbe于1873年提出的，并以他的名字命名。
艾里斑分辨率的计算基于光学系统的参数，包括光的波长和系统的数值孔径。
衍射极限艾里斑分辨率在科学研究和实际应用中具有重要意义。
在生物医学领域，它可以用于评估显微镜的分辨能力，进而实现对细胞和组织结构的高分辨率成像。
在光刻技术中，艾里斑分辨率的理论极限可以指导光刻机的设计和性能改进。
然而，衍射极限艾里斑分辨率也存在一定的局限性。
实际光学系统往往受到各种因素的限制，如光的衍射、散射、畸变等，这些因素会降低系统的实际分辨能力。
因此，进一步研究和改进光学系统，以提高其分辨能力成为未来发展的方向。
在接下来的文章中，我们将详细介绍衍射极限的定义和原理，以及艾里斑分辨率的概念和计算方法。
我们还将讨论衍射极限艾里斑分辨率在不同领域的应用，并探讨其存在的局限性和未来的发展方向。
通过对这一主题的全面了解，我们可以更好地理解光学系统的分辨能力，并为相关领域的进一步研究和应用提供指导。
1.2文章结构文章结构部分的内容可以是对整篇文章的组织和布局进行介绍。
可以提及文章的各个章节主题、内容概要以及各个章节之间的逻辑关系等。
以下是关于文章结构部分的一个示例：第2节正文部分是本文的核心内容，将详细介绍衍射极限和艾里斑分辨率的定义、原理和计算方法。
通过对衍射极限的研究和艾里斑分辨率的计算，我们可以更好地理解光学成像中的分辨率限制和相关原理。
突破光学衍射极限,发展纳米光学和光子学材料及器件
学材料及 器件 的发展 正是迎合这种 快速和 高密度信 息技 术 的需求。先进 的纳米光学和纳米 光子 学器件 应该是 快速 、高分辨率和 高集成 的 ，形成各 类光 学和光子 学芯片和盘片。先进 的材料是 突破各 类功能芯 片的关键 。在各类 电子 学以及光 学和光 子学的 纳米芯片和器件制
１ ０１ 年 第７ 第５ ６ （ 第３ － 期 ） ６２ ０ 卷 －期 总 ８ ３９
５ｎ ０ ｍ的分辨 率 ，不仅需 要紫外 光源 ，数值孔 径 要 ＞ １５ （ 没 式 ） 。短 波 长 激 光 器 和 大 数 值 孔 ． 浸 径透镜 都 已经 接近 了 目前 技术 所 能达 到的极 限 或者 成本太 高 ，例 如 ，一 台深 紫外 浸没 式光 刻 机 的价格达０ ～０ 亿美 元 ，所 以传 统技术路线 ． ． ２ ３ 已经面 临着 巨大 的挑 战 。超 分辨 技术 是指 突破 瑞 利衍 射极 限的技术 ，一直 是光 学领 域 的主要 研 究 课 题 。 ２ ０ 年 美 国光 学 学 会 提 出 ，超 分 辨 ０９ 技术 是２ 世纪光 学发 展 的重大 突破 点 ，需要 发 １ 展分辨 率达 入 ｌ～ 入／０ ／０ ２ 的新方法 、新 原理和 新 技术 。 目前 已经发 展 出 多种 超 分 辨技 术 ，如远 场
高 ， 已接 近 可达 到 实 用 化 纳 米 光 刻 的极 限 。 突破 光 的衍 射 极 限 ，在 光 的 远 场 和 近 场 应 用 超
分辨 率技 术 ，是 当前 重要 的前 沿课题 。发展 用 于光 学超 分辨率的各种 功能材料 以及新 的刻 录介 质 材 料 是 这 一 新 的 重 大创 新技 术 的 关键 。
般 需 要 波 长 短 于 ２ ０ ｍ的 光 源 ， 要 达 到 ０ｎ
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
突破衍射极限的方法
1.近场成像
基本思路是利用高空间频率信号来获得清晰的物象。
由于需要非常接近样本，因而对于实际应用造成了很大的障碍。
1) superlens
Zhang X, Liu Z. Superlenses to overcome the diffraction limit.[J]. Nature Materials, 2008, 7(6):435-441.
使用负折射率超材料（完美透镜）增强原子力显微镜/显微镜的分辨率。
将负折射率材料靠近目标物体，近场消逝波将被增强。
完美透镜的分辨率不取决于衍射极限，而是取决于放大率和多少消失模被存储
2) hyperlens
Lu D, Liu Z. Hyperlenses and metalenses for far-field super-resolution imaging[J]. Nature Communications, 2012, 3(6):1205.
3) microsphere assist imaging
Wang Z, Guo W, Li L, et al. Optical virtual imaging at 50 nm lateral resolution with a white-light nanoscope[J]. Nature Communications, 2011, 2(1):385-396.
4) nearfield scanning optical microscopy
2.远场成像
可以做到远场高分辨，达到几十纳米的分辨率，通过选择性激活或者灭活荧光团
但是这些成像技术仅适用于生物组织样本
1)STED
Stimulated emission depletion microscopy
受激发射减损显微镜
https:///wiki/STED_microscopy
2) PALM
photo-activated localization microscopy
光激活定位显微镜
https:///wiki/Photoactivated_localization_microscopy
3) STORM
随机光学重构显微技术
Stochastic optical reconstruction microscopy
https:///wiki/Super-resolution_microscopy#Stochastic_optical_reconstruct ion_microscopy_.28STORM.29
3.SOL
super-oscillatory lens
超震荡透镜
Berry M V. Exact nonparaxial transmission of subwavelength detail using superoscillations[J]. Journal of Physics A Mathematical & Theoretical, 2013,
46(20):2140-2154.。