实验产生超分辨光学聚焦暗斑
超分辨显微镜的工作原理与成像技术
超分辨显微镜的工作原理与成像技术超分辨显微镜是一种先进的光学显微镜，具有很高的分辨率和成像能力，可以观察到微观领域中细小的结构和现象。
本文将介绍超分辨显微镜的工作原理和成像技术，以及其在生物医学、材料科学和纳米技术等领域的应用。
一、工作原理超分辨显微镜的工作原理基于曲折规律和波的衍射。
传统光学显微镜由于照明光束的衍射限制，无法分辨出比光的波长还要小的物体细节。
而超分辨显微镜通过使用特殊的技术，克服了这一限制。
1.1 衍射极限传统光学显微镜的分辨率受到衍射极限的限制。
衍射极限（称为耐克斯特准则）是由德国物理学家安德烈亚斯·耐克斯特提出的，规定了光学系统能够分辨物体的最小尺寸，即0.61倍的照明光波长。
超过这个极限，显微镜就无法分辨出物体的细节。
1.2 超分辨技术超分辨显微镜采用了多种技术来突破衍射极限，实现更高的分辨率。
其中最常见的技术包括：1.2.1 利用荧光标记超分辨显微镜可以通过利用荧光标记结合合适的成像技术，将被观察物体的特定部分标记出来，并对其进行成像。
这些标记物在光的刺激下会发出荧光信号，通过检测和分析这种信号，可以实现纳米级的分辨率。
1.2.2 利用近场效应近场光学显微镜利用装载在探针尖端的金属纳米结构，利用探针与样品之间的极短距离来增强照明光的局部电场，从而实现超分辨成像。
这种技术在表面等离子激元共振和原子力显微镜中得到广泛应用。
1.2.3 利用建构性干涉通过将两束光进行干涉，可以在显微镜中形成特定的干涉模式。
这种模式包含了被观察物体的高频细节信息。
运用适当的算法和数学处理，可以从干涉模式中提取出高分辨率的图像。
二、成像技术超分辨显微镜采用多种成像技术来获取高分辨率图像。
以下是几种常用的成像技术：2.1 结构光成像结构光成像利用相干光束通过物体表面，通过记录物体与光束的相互作用，实现高分辨率的三维成像。
利用这种技术，可以获得具有亚微米分辨率的物体表面拓扑图像。
2.2 荧光成像荧光成像是利用带有荧光标记的样品在激发光线照射下发出的荧光信号进行成像。
原子阵列超分辨光学技术
原子阵列超分辨光学技术
原子阵列超分辨光学技术是一种新兴的光学技术，它可以在纳米尺度下实现超高分辨率成像。
这种技术的原理是利用原子阵列的特殊性质，将光学信号转换为电子信号，然后通过电子显微镜进行成像。
这种技术的应用范围非常广泛，可以用于生物医学、材料科学、纳米电子学等领域。
原子阵列超分辨光学技术的核心是原子阵列。
原子阵列是一种由原子组成的有序结构，可以在纳米尺度下制备。
这种结构具有非常特殊的光学性质，可以将光学信号转换为电子信号，并且可以通过电子显微镜进行成像。
这种技术的分辨率可以达到纳米级别，比传统的光学显微镜要高得多。
原子阵列超分辨光学技术的应用非常广泛。
在生物医学领域，这种技术可以用于研究细胞结构和功能，探索生命的奥秘。
在材料科学领域，这种技术可以用于研究材料的结构和性质，开发新型材料。
在纳米电子学领域，这种技术可以用于研究纳米器件的结构和性能，开发新型纳米器件。
原子阵列超分辨光学技术的发展还面临着一些挑战。
首先，原子阵列的制备需要非常高的技术水平，制备成本也比较高。
其次，电子显微镜的成像速度比较慢，需要花费较长的时间进行成像。
最后，原子阵列超分辨光学技术还需要进一步完善，以提高其分辨率和成像速度。
原子阵列超分辨光学技术是一种非常有前途的光学技术，可以在纳米尺度下实现超高分辨率成像。
这种技术的应用范围非常广泛，可以用于生物医学、材料科学、纳米电子学等领域。
虽然这种技术还面临着一些挑战，但相信随着技术的不断发展，原子阵列超分辨光学技术一定会有更加广泛的应用。
超分辨成像技术及其在生命科学中的应用
超分辨成像技术及其在生命科学中的应用随着科技的发展和进步，越来越多的领域开始出现了高端、先进的技术手段，其中超分辨成像技术成为了近年来备受关注的热门话题。
超分辨成像技术是一种能够克服传统光学成像受到衍射极限限制，实现高分辨成像的新型技术，被广泛应用于物理、化学、生物、医学等领域。
在生命科学中，超分辨成像技术也发挥了重要作用，为生命科学的发展和研究带来了前所未有的机遇。
超分辨成像技术的基本原理超分辨成像技术的最大特点是能够突破衍射极限，实现高分辨成像。
对于物质，其大小和相互作用过程的本质在很大程度上限制了我们观察和研究物质的能力。
而传统的光学显微镜因受到光的衍射极限的限制，难以观察到微小结构和细节，这对于生命科学的研究提出了很大的挑战。
超分辨成像技术通过利用各种方法在微小尺度范围内细致地观察样品，克服了传统衍射极限的限制，实现了高分辨成像。
常用的超分辨成像技术包括：（1）激光点扫描共聚焦显微镜技术（SPCM）；（2）结构光投影成像技术（SLP）；（3）单分子荧光成像技术（SPT）；（4）光学相位重建成像技术（PR）；（5）光晕衍射成像技术（SD）等。
这些技术基本上都利用了光的物理特性。
超分辨成像技术在生命科学中的应用超分辨成像技术的出现，使得我们有了更强大的工具，可以在更深入的层次上观察和研究生命的奥秘，为生命科学研究的深入发展提供了广阔的空间和前景。
在生物医学中，临床医生可以利用超分辨成像技术，突破传统成像技术的限制，更加准确、清晰地了解疾病的病变情况，有效地辅助诊断和治疗。
在细胞生物学中，超分辨成像技术被广泛应用于细胞器、蛋白质、核酸等结构的观察和研究。
例如，利用荧光成像技术，可以直接观察和研究细胞内蛋白质的运动及分布、膜的结构和功能、有机分子的运输以及细胞感受器的活性等等。
另外，超分辨成像技术还在分子生物学和神经科学等领域得到了广泛的应用。
例如，通过利用单分子荧光成像技术，可以探究分子级别上的生物反应和动力行为。
探究光的中心暗斑和中心亮斑现象
● 04
第四章 实验与模拟
洛德衍射实验步骤
准备单色光源
小孔装置和屏幕
调节位置和方向
观察洛德衍射
选择波长明确的单色光源
安装小孔装置并放置屏幕 以观察衍射图案
调节小孔位置和光源方向 以获得最佳衍射效果
细致观察屏幕上的洛德衍 射图案
洛德衍射模拟实验
01 利用光学模拟软件
选择合适的软件进行模拟
02 调节参数
调整波长和小孔尺寸等参数
03 观察结果
分析中心暗斑和中心亮斑的生成规律
干涉实验验证
选取光源和 装置
选择适用于干涉 实验的光源和干
涉装置
验证原理
根据实验结果验 证干涉原理的正
确性
观察条纹分 布
仔细观察干涉条 纹在屏幕上的分
布情况
模拟光波的干涉
通过计算机模拟光波 的干涉现象，可以更 直观地了解干涉的规 律。调节光源位置、 波长等参数，观察干 涉图样的出现，从模 拟结果中分析与理论 推导的关系。模拟实 验有助于加深对干涉 现象的理解，探究光 波的特性与行为。
洛德衍射实验装置
单一光源
用于产生光线
屏幕
用于观察衍射图 样
小孔
用于产生衍射
洛德衍射应用
01 光学仪器设计
光的波动性质研究
02 光学信息传输
利用衍射进行信息处理
03 其他应用领域
探索更多可能性
洛德衍射的局限性
波长远大于小孔尺 寸
波长接近小孔尺寸
洛德衍射适用性较好
洛德衍射效果减弱
复杂实验装置需求
探究光的中心暗斑和中心亮 斑现象
汇报人：XX
2024年X月
第1章 简介 第2章 洛德衍射 第3章 光的干涉 第4章 实验与模拟 第5章 应用与展望
超分辨显微成像技术的原理和应用
超分辨显微成像技术的原理和应用超分辨显微成像技术是一种能够突破传统显微技术分辨率限制的一种创新性技术。
它通过在超分辨率显微镜下使用特殊的成像模式和图像处理算法来提高成像精度和分辨能力。
在此文中我将会简要介绍超分辨显微成像技术的原理和应用。
一、超分辨显微成像技术的原理传统的光学显微镜是基于Abbe原理的，它的分辨率受到光学衍射极限的约束。
因为衍射极限所限制的分辨率仅有大约200nm，这个范围内的成像是有限的。
然而，超分辨显微成像技术能够突破这个限制。
超分辨显微成像技术的核心原理基于通过对激光束进行控制来提高成像精度。
Super-resolution optical microscopy (STORM)技术可以使用的荧光染料实际上是由数千个单个荧光发射颗粒组成的。
在这个过程中，首先需要在样品中使用低浓度的荧光染料标记，它们会以随机方式发光。
在这个过程中，观察者将会收集到无序的荧光信号。
其次，由于各种各样的影响因素，这些荧光染料发出的光会以漂移的形式在图像上分散，这会对图像的观察产生严重影响。
通过超分辨显微成像技术，我们可以精确地控制这个过程，在样品中灌注光子，从而定位和确定荧光染料的发射位置。
最后，将所有的荧光信号在计算机上进行整合和分类，并通过算法重新构建出单个荧光粒子的发光图像，从而实现高分辨率的成像。
二、超分辨显微成像技术的应用超分辨显微成像技术的应用非常广泛，主要应用于生命科学和材料科学两个领域。
在生命科学中，人们可以利用这种技术突破Abbe极限，研究生物分子、细胞、组织和器官在分子水平的内部组织结构、物质运移、代谢分子和蛋白质互作等方面的活动行为。
此外，超分辨显微成像技术也可以用于深入研究各种病毒、癌症、脊髓损伤和神经退化等疾病的发病机理。
在材料科学中，超分辨显微成像技术被广泛应用于材料表面和界面结构分析、纳米材料和异质材料界面的研究、材料表面胶体结构的探究和纳米粒子的生物组装研究等领域。
超分辨光学成像技术的发展及应用
超分辨光学成像技术的发展及应用光学成像技术是一种非常重要的技术，它可以通过光学成像的方式获取高清晰度的真实图像。
传统光学成像技术已经相当成熟，但是它还有一个局限，就是分辨率的限制。
分辨率越高，图像的清晰度就越高。
但是由于光线的波长的限制，使得传统光学成像技术的分辨率达到了瓶颈，因此人们就开始探索超分辨光学成像技术。
超分辨光学成像技术是一种可以绕过光线波长限制的技术。
它的主要原理是通过对样品的非线性光学过程进行观测，获得高分辨的图像。
超分辨技术的出现为追踪高能分子的运动、矿物学中的纳米颗粒分析、生物学中胞器深层次成像分析、物理学中表面纳米结构分析、材料学中的局部结构分析等领域的研究提供了有力的手段。
那么，超分辨光学成像技术的发展经历了哪些阶段呢？首先，第一代超分辨技术主要包括了利用探针成像、共焦显微镜、荧光及受激发射显微镜等技术。
这些技术的分辨率大约在100纳米到300纳米之间，因此已经可以应用于许多研究领域。
而第二代超分辨技术的主要特点是可以突破分辨率极限，例如STORM、PALM、SIM、STED等技术，它们的分辨率在10纳米到50纳米之间，具有非常高的应用价值。
除了精度，超分辨光学成像技术在图像信息的获取速度上也有较大的提升，这主要得益于计算机技术的进步。
传统的显微镜的显微图像需要花费大量的时间进行拍摄、处理甚至是合成，而利用超分辨光学成像技术，成像时间较短，可快速采集分辨率更高的图像数据，从而为高质量图像的分析研究提供了基础条件。
超分辨光学成像技术的应用十分广泛，其中在生物学领域尤为突出。
超分辨光学成像技术已经成为研究生物学领域最具前景的新技术之一，例如可以突破传统显微镜仅能看到50-100nm的限制，可以精确定位某类蛋白质的分布、交互和转运特征，研究变形、运动、分裂等过程，并揭示了许多重要的生物学现象，例如神经元中的突触形成，细胞分裂等生命过程的研究。
超分辨光学成像技术不仅在生物学领域中有应用，它在其他领域上也是有很大的潜力。
神经科学研究中的超分辨显微技术
神经科学研究中的超分辨显微技术随着科技的不断进步，神经科学领域的研究也逐渐得到了显微技术的支撑，其中超分辨显微技术是近年来备受关注的一种新型技术。
本文将从什么是超分辨显微技术、超分辨显微技术的分类、超分辨显微技术在神经科学研究中的应用及未来展望等方面进行阐述。
一、什么是超分辨显微技术？超分辨显微技术是指一类用于展现物体微观细节的显微技术，其分辨率优于传统显微技术。
即，能够在显微镜下看到超出普通显微技术所能看到的更小的颗粒。
传统的显微镜因受到光线的物理限制而不能看到比波长还小的物体，而超分辨显微技术则突破了这个限制，其分辨率可以达到亚微米级别。
二、超分辨显微技术的分类目前，超分辨显微技术有多种分类方法。
根据原理的不同，可以分为：1.结构光显微技术结构光显微技术又称为斑点投影显微技术，是一种非常流行的超分辨显微技术。
因为它采用双光子聚焦的原理，能够通过整合一系列微型点阵投影来实现三维结构的识别和成像，可实时观察细胞内分子的运动情况，是研究单个蛋白分子在细胞中的生物学功能以及疾病发展机制等方面的重要工具。
2.单分子显微技术单分子显微技术是用于研究细胞生物学、生物化学等领域的一种超分辨显微技术。
它的原理是通过让标记了荧光染料的单个分子发出荧光信号，以连续不断的方式发现、记录单个分子的位置。
这种技术的优势在于可监测系统的不同部分之前的关系和交互。
其主要应用领域包括：蛋白质相互作用、酶催化活动等领域的研究。
3.刺激响应显微技术刺激响应显微技术是一种有望解决生物学领域中高相关性细胞类研究的重要超分辨显微技术。
其基本原理是根据样本对不同波长、不同时间点的光的反应，进行精确的测量和成像。
这种技术的优点在于能够对异种表型细胞进行刺激响应测试，促进细胞学领域的发展，并实现以下研究目标：从表型细胞中分离出特定基因的依赖性、研究定量和空间谱系等。
三、超分辨显微技术在神经科学研究中的应用神经科学研究中，超分辨显微技术已经成为了许多研究群体的主要工具之一。
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实验产生超分辨光学聚焦暗斑
姜利平;刘玲玲;朱厚飞;王海凤
【摘要】用二元相位器件调制角向偏振激光光束,然后用高数值孔径物镜聚焦,在实验上产生了一个超分辨光学聚焦暗斑.二元相位器件的调制作用是通过让角向偏振光束经一块刻有多环同心环状凹槽的玻璃基板实现的.用刀口法检测了焦点附近的3D光束分布特性,得到了尺寸是0.32λ且在4λ左右的长度内保持不变的超分辨暗斑.这样的光学聚焦暗斑可能会应用于超分辨显微技术和光学捕获.
【期刊名称】《光学仪器》
【年(卷),期】2016(038)001
【总页数】5页(P31-34,40)
【关键词】光学设计及制作;二元光学器件;光电探测器;偏振态
【作者】姜利平;刘玲玲;朱厚飞;王海凤
【作者单位】上海理工大学光电信息与计算机工程学院,上海200093;上海理工大学光电信息与计算机工程学院,上海200093;上海理工大学光电信息与计算机工程学院,上海200093;上海理工大学光电信息与计算机工程学院,上海200093
【正文语种】中文
【中图分类】O432
引言
超分辨聚焦光斑广泛应用于扫描光学显微技术。
在受激发射损耗(STED)显微镜[1-2]中既有聚焦亮光斑也有聚焦暗光斑,其中聚焦亮光斑用作显微镜中的激发光源,激
发荧光分子;聚焦暗光斑用作显微镜中的抑制光源,抑制边缘荧光分子发射荧光,当二者结合在一起时便可得到纳米量级的有效光斑。
聚焦暗光斑的尺寸越小,有效光斑的尺寸也就越小。
对于聚焦亮光斑,研究最多的是径向偏振光束通过高数值孔径(NA)聚焦后得到超分辨的亮斑,尺寸接近衍射极限为0.36 λ[3-5]。
对于聚焦暗光斑的产生方法有很多,有径向偏振光加涡旋后聚焦或者圆偏振光加一阶或二阶涡旋后再聚焦得到,而效果相对较好的要数角向偏振光聚焦后得到的暗斑,目前理论计算达到的水平为半峰值全宽度(FWHM)为0.29 λ[6-7]。
为了减小有效光斑的尺寸并实现超分辨,单纯地靠角向偏振光束聚焦后得到的暗斑远远不够,需要对角向偏振光束的相位或振幅进行调节。
目前调节角向偏振光的方法有:空间光调制器法[8-9]、全息相位干板法[10]、衍射光学元件法[11]、二元光学器件法[12-13]等。
暗斑尺寸在亚波长级别可使得STED显微镜达到更高的分辨率,暗斑焦深变长可能使得STED 显微镜实现三维立体扫描,可观察到生物组织之间物质的传输与交换或分子内部更精细的结构,这对生物医学以及分子结构的研究来说意义重大。
虽然这些方法在仿真的条件下确实可以达到很好的效果,但是对于高数值孔径透镜聚焦在实验上操作又存在难度,因为得到的质量好的暗斑在焦点前后,要对这样的暗斑进行测量以验证方法的可靠性,我们需要纳米量级的移动平台以及特殊的检测器对光强进行测量。
实验中用角向偏振光束照明,在数值孔径为0.95的显微物镜的光阑处放置二元光学器件,二元光学器件调节相位的结果不仅在横向减小了暗斑的尺寸,而且在纵向延长了焦斑的焦深。
在焦点附近得到了超分辨暗斑。
十字形刀口检测器置于纳米平台上以检测光斑的尺寸以及光强分布。
用角向偏振的贝塞尔-高斯光束照明高数值孔径透镜可得到焦点S附近的电场分布为[14]
将其转化为柱坐标的形式得到,局部径向和纵向分量的积分为零,角向分量为
经化简计算得到
式中:α=arcsin(NA),NA是透镜的数值孔径;k=2π/λ为波数;J1 是第一类一阶贝塞
尔函数;θ为光阑(透镜)上的点到焦点的连线与光轴的夹角,l(θ)是贝塞尔-高斯光束
的振幅分布,表达式为
式中:β和γ是结构参数,表示光瞳半径与束腰的比值,二者取值1。
用拉盖尔-高斯光束照明时,聚焦透镜的NA值为0.95(α≈71.8°),聚焦暗斑的尺寸即FWHM为0.4 λ,非发散(或发散角很小)区域的长度为2 λ。
然而,我们希望得到的超分辨聚焦暗区域是暗斑尺寸很小且焦深很长的光束来作为STED显微镜的抑制光源,所以,我们放置了一个特制的二元光学器件,这里的二元光
学器件是一块玻璃基板上刻有五个相位为0和π的环带凹槽交替组成的,环带宽度对应着角度θ。
当增加了这种二元光学器件之后,式(1)~式(4)中的函数e(θ)就被改
写为T(θ)e(θ),这里T(θ)为该器件的透过率函数,它的表达式为
式中的一套角度值θi为优化参数,其对应的环带半径值ri=sinθi/NA在表1给出[5]。
当增加了该二元光学器件后,由于光束的相位得到相应的调制,使得在焦点附近的光
束干涉相长,压缩了未经调制的角向偏振光束的暗斑尺寸的大小。
我们理论上得到
光学管道的长度增加到4 λ,超分辨聚焦暗斑的尺寸减小为0.32 λ。
如图1所示,(a)、(b)分别为未加和加了二元器件后焦平面上的光强分布,(c)中给出了使用二元光学器件前后焦点处光强分布图以及沿X轴的强度分布对比,虚线曲线表示未使用二元光
学器件时X轴的强度分布,实线曲线表示使用了二元光学器件时X轴的强度分布。
目前为止,有两种方法测量焦斑的尺寸,一种是刀口扫描法[15-16],一种是光刻胶曝
光法[17]。
实验中采用刀口扫描法,因为它能给出暗斑尺寸和焦深的函数,利用光电
二极管去测量光电流随刀口位置的变化函数。
十字形刀口的结构示意图如图2,p型硅和n型硅形成一个光电二极管,以二极管为基底,在p型硅另一侧有一层金属片与该金属片中心十字形区域形成十字形刀口,刀口与光电二极管之间的距离在一个波
长范围内。
整个检测器置于纳米平台上,纳米平台由电脑控制,可实现三维纳米测量,所得的测量数据或者检测到的光斑显示在电脑上。
在激光器谐振腔的内部放置轴向双折射器件或轴向二向色性器件可以使谐振腔在角向偏振模式下振荡放大,即可得到角向偏振光束[18];在激光器外部放置轴向双折射器件或轴向二向色性器件,使线偏振态或圆偏振态转变为角向偏振态[16];改变半导体光子晶体表面发射激光器的晶格或在光子晶体结构中产生相移也能产生角向偏振光束[7]。
我们采用的是在激光器外部放置四片胶合在一起的半波片[18],这四片胶合的半波片共同形成偏振转换器,因为激光器出射的激光的偏振方向沿X方向,半波片的的慢轴方向按照图2中偏振转换器所示放置,当激光通过这个偏振转换器后,由于线偏振光经偏振转换器后偏振方向转过的角度为线偏振方向与半波片的慢轴方向夹角的两倍,所以转换之后的光为角向偏振光。
如图2所示,He-Ne激光器发出线偏振激光束,经准直透镜准直扩束后照射到偏振转换器上,即四片胶合在一起的半波片,出射光的偏振方向由线偏振变为角向偏振,而角向偏振光束经二元光学器件相位调制后,再由显微物镜(microscope objective,MO)聚焦,因为二元光学器件的相位调制使得焦平面及其附近的光场干涉相长,这样便有效地压缩了原先暗斑的半径,使得聚焦之后的暗斑的半径变小,达到减小暗斑半径的目的。
然后用刀口检测焦平面及其附近的光强分布。
所选用的透镜是NA为0.95的显微物镜,这样高数值孔径的透镜在测量其焦斑的时候,对检测器距离的控制有很高的要求,其次,为了提高测量的精度,每次所移动的距离必须远小于波长的量级,所以纳米移动平台是必要的选择。
而对于光斑的检测,采用十字形刀口检测,它的检测是一个光强积分的过程,也就是说,对于一个横截面上的二维光强分布,当我们用刀口检测X轴的光强分布时,得到的是对Y轴累积之后的强度值,即检测后的光强分布只是X的函数。
图3是焦平面上X轴的光强(对Y轴积分后)分布,实线表示理论情况下X轴的光强
(对Y轴积分后)的分布,虚线表示实验中刀口检测到的X轴的光强分布。
由于在仿真时,为防止计算量过大,我们采用的取点精度为λ/100,积分采点的步长为
50 nm(与实验过程中刀口的步长一致)使理论得到的积分强度比实验采集到的强度小,很明显实验值与理论值分布符合得很好,光学聚焦暗斑的质量得到改善。
图4是根据检测到的位置与强度的数据绘制的强度分布图,可以看到光学聚焦暗斑的三维立体分布。
我们测得光学聚焦暗斑的长度为4 λ,FWHM为0.32 λ,其是很理想的STED显微镜的抑制光源,当它和聚焦亮光斑(激发光源)的光强匹配起来时可进一步提高STED显微镜的横向分辨率,对生物组织以及分子实现三维成像。
在光学捕获方面,超分辨暗光斑的光学管道和超分辨亮光斑的光学探针[11]可能会实现小分子的双光束的三维稳定捕捉。