矢量衍射理论在强聚焦系统中的研究

论文摘要

光学系统中聚焦光斑的形状和尺寸明确决定了系统的成像分辨率或者加工精度,而聚焦光斑的形状和尺寸又与系统中透镜的数值孔径（NA）密切相关。数值孔径是描述透镜收集光角度范围的一个无量纲的数,它反映了光学系统对光束的汇聚能力,透镜的数值孔径越大对应的空间分辨率和聚焦光束的能力越强好。通常把透镜NA>0.7的光学系统称为强聚焦系统。目前人们在基于波动光学理论在处理光学系统中光场分布的衍射问题时,通常有两种较为常见的理论,即:标量衍射理论和矢量衍射理论。前者,忽略了入射光束偏振态特性,适用于处理NA<0.7的光学系统中的光场空间分布问题;后者因为考虑到了入射光的电场分量在空间各方向的分量对亚微米量级的聚焦光斑的影响,适用于矢量光束和NA>0.7透镜的光束聚焦问题。除此之外,在强聚焦系统中入射光束的矢量特性、振幅、相位特性也会很大程度的影响聚焦光斑的形状和尺寸。因此,必须使用包含了入射光全部信息的矢量衍射理论来处理矢量光束和强聚焦系统中的衍射聚焦问题。本文基于矢量衍射理论首先研究了偏振态和振幅分布不同的矢量光束（径向、角向偏振光）以及特殊的矢量光束（贝塞尔-高斯光、拉盖尔-高斯光）在强聚焦系统下的衍射问题,经过模拟计算发现矢量光束的偏振态和振幅的分布将会影响聚焦光斑的尺寸和形状。其中角向偏振光和一阶拉盖尔-高斯径向偏振光在强聚焦系统下可以得到超越衍射极限（200nm）的光斑,一阶拉盖尔-高斯角向偏振光在强聚焦下可以得到双环形聚焦光斑。而这些结果对于我们分析特殊光场的调制、特殊光斑的应用有一定的借鉴意义。此外,本文还研究了介质分界面对强聚焦系统衍射光斑的影响,以受激发射损耗（STED）显微镜为例,基于矢量衍射理论分析了此系统中由样品与其他介质存在折射率差和像差（慧差、象散）影响时,对STED系统空间分辨率具体的影响。经过模拟研究发现,STED系统的分辨率对像差的存在非常敏感,当有慧差和象散影响时与没有像差影响时,STED系统的空间分辨率分别降低了1.87和1.95倍。因此该研究对于我们提升STED系统分辨率有很高的参考价值。

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ABSTRACT

第一章绪论

1.1 引言

1.2 衍射理论的发展历程

1.2.1 标量衍射理论

1.2.2 矢量衍射理论

1.3 标量和矢量分析方法的区别

1.4 矢量分析方法的意义

1.5 本章小结

第二章衍射理论

2.1 标量衍射理论

2.1.1 惠更斯-菲涅耳原理的数学表达式

2.1.2 基尔霍夫衍射理论

2.1.3 菲涅尔-基尔霍夫衍射公式

2.1.4 瑞利-索末菲衍射公式

2.2 矢量衍射理论

2.2.1 德拜积分

2.2.2 圆透镜的德拜积分

2.2.3 矢量德拜积分（Richards-wolf矢量衍射理论）

2.3 本章小结

第三章偏振光束的强聚焦特性

3.1 背景与意义

3.2 矢量光束的研究历程

3.3 理论模拟基础

3.4 研究内容

3.4.1 常见光束的强聚焦特性

3.4.2 特殊矢量偏振光束的聚焦特性

3.5 本章小结

第四章像差和介质界面对STED系统分辨率的模拟研究

4.1 背景与意义

4.2 超分辨成像技术

4.2.1 受激发射损耗显微技术原理

4.2.2 受激发射损耗显微技术的应用

4.3 理论模型基础

4.3.1 点扩散函数

4.3.2 抑制理论

4.4 研究内容

4.4.1 研究模型

4.4.2 模拟结果

4.5 本章小结

第五章总结与展望

总结

展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间取得的科研成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 肖超

导师: 贺庆丽,王凯歌

关键词: 衍射积分理论,矢量光束,强聚焦系统,分辨率

来源: 西北大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 西北大学

分类号: O436.1

总页数: 61

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