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一、基于荧光(非线性)的超分辨成像(返回目录)
 
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1、Stimulated Emission Depletion Microscopy (STED), G-STED, STED-FLIM(返回目录)
1) Stimulated Emission Depletion Microscopy (STED)(返回目录)
 
       STED其基本原理如图1-1-1所示, 紫色代表的是激发激光,绿色代表的是用来受激发射损耗的激光,两束激光经过时间空间调制后同时照射在样本上。激发光使荧光物质发光的同时,STED激光发射一束紧挨着的、环型的、波长较长的激光将激发光斑中大部分的荧光物质通过光学非线性作用被强行回到基态抑制其发荧光,从而减少荧光发射光斑面积。激发光光斑经STED激光的调制后大大的减少了发射荧光分子的光斑大小,并且随着STED激光光强的增加,能发射荧光光斑越小,其半高全宽可以达到衍射极限以下,分辨率不再受光的衍射所限制,从而打破衍射极限。通过三维扫描可以得到50nm以下的三维图像。
 
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图 1-1-1 STED打破光学衍射极限原理示意图
 
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图 1-1-2 多功能超分辨系统变迁图
 
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图1-1-3 自搭建STED系统效果图。STED光强为200mw时,分辨率约为50nm。扫描分辨率为20nm/pix,每点驻留时间为0.2ms
 
       G-STED是在STED的基础上,通过延迟探测或者后期舍弃短寿命的荧光光子(time-gated),可以进一步压缩荧光光斑,得到更高的分辨率。 
 
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图 1-1-4 自搭建STED系统效果图。STED光强为30mw,分辨率约为60nm。扫描分辨率为20nm/pix,每点驻留时间为0.2ms。利用G-STED原理,舍弃短寿命光子,得到的分辨率等同于为200mw 的STED光强。
图 1-1-5 G-STED系统效果图。STED光强到150mw,利用G-STED,分辨率可达38nm
 
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图 1-1-6 G-STED :共焦,STED和G-STED三种方法的分辨率对比图 
 
        STED-FLIM是指在进行STED成像同时,可以进行荧光寿命(Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy)成像,通过荧光寿命的变化,判断病理特征。
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图 1-1-6 共焦和STED系统中100nm 荧光颗粒在不同ph值下荧光寿命的变化
 
相关文献:
[1] Gu Z., Kuang C., Li S., Xue Y., Zheng Z., Liu X., "Super-resolution Fluorescence Lifetime Imaging," in Asia Communications and Photonics Conference, 2012. 
[2] 顾兆泰, 匡翠方, 郑臻荣, 刘旭. 共聚焦荧光寿命显微系统 [J]. 光电子. 激光, 2012, 8:011.
[3] 郝翔,匡翠方,顾兆泰,李帅,刘旭. 基于时间相关单光子计数的离线式g-STED超分辨显微术,中国激光.40(1):0104001-5 (2013)
 
 2、共焦显微镜中基于图像相减的分辨率和信噪比的提升方法 (返回目录)
       该方法利用对不同针孔大小下获得的光强信号进行特殊加权相减,从而提高共聚焦显微镜的横向分辨率。该方法系统简单、费用低廉且不需要强激光的参与,在提高分辨率的同时信噪比也获得提升,同时适用于荧光和非荧光样品的实时测量观测(此处以荧光样品说明)。
 
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图1-2-1 荧光样品系统图和两针孔剖面图
 
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图1-2-2 实验结果对比图. A (1.254个爱里斑大小)为小针孔下获得的共焦图; C 是A反卷积的结果; B为图像相减的结果(权重因子0.78);D是B反卷积的结果; A、B、C、D中划线区域的归一化强度图分别对应于a,b,c ,d。通过比较A与B、C 与D、a与b和c与d,可以清楚看到分辨率和信噪比的提高。
 
相关文献:
[1]Yifan Wang, Cuifang Kuang, Zhaotai Gu, Xu Liu. “Image subtraction method for improving lateral resolution and SNR in confocal microscopy.” Optics & laser technology (In press)
[2]匡翠方,王轶凡,顾兆泰,李帅. 一种基于双针孔的超分辨显微方法和装置(已公开)
 
二、高数值孔径下的矢量光场调控 (返回目录)
 
1、一种各向同性三维暗斑的生成方法 (返回目录) 
       在本方法中,为了形成各向同性的三维暗斑需要用到两路照明光束。分别对入射光束进行相位调制使他们在经显微物镜聚焦后均形成两个轴向位置不同的焦点。在两个焦点的中点处放置一面介质反射镜,使得两入射光束均发生反射。两反射光束在样品处和各自的入射光束形成干涉,并最终光强叠加形成各向同性的三维暗斑。
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图2-1-1 一种各向同性三维暗斑的装置。激光器1,单模光纤2,准直透镜3,第一偏振分光棱镜4,第一反射镜5,第二反     射镜6,第三反射镜7,第一相位调制器8,第二相位调制器9,第四反射镜10,第二偏振分光棱镜11,1/4波片12,显微物     镜13,样品面14,介质膜反射镜15 
 
 
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图2-1-2 效果对比图。所形成的三维暗斑的轴向尺寸 0.44波长,横向尺寸为0.56波长,与常规方法相比均有缩小。
 
相关文章和专利:
[1] S. Li, C. F. Kuang, X. Hao, Z. Gu, and X. T. Liu, "Generation of a 3D isotropic hollow focal spot for single-objective   stimulated emission depletion microscopy," J Opt-Uk 14(2012). 
[2] 匡翠方,李帅,郝翔,刘旭. 一种三维空心光斑生成方法和装置 (已公开)
2、高数值孔径下的矢量调控(返回目录) 
 
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相关文章:
[1] Z. Gu, C. Kuang*, S. Li, Y. Xue, X. Hao, Z. Zheng, and X. Liu, "An interferential method for generating polarization-rotatable cylindrical vector beams," Optics Communications (2012).
[2] Y. Xue, C. Kuang*, S. Li, Z. Gu, and X. Liu, "Sharper fluorescent super-resolution spot generated by azimuthally polarized beam in STED microscopy," Opt. Express 20, 17653-17666 (2012).
[3] X. Hao, C. Kuang*, Y. Li, and X. Liu, "Manipulation of doughnut focal spot by image inverting interferometry," Opt. Lett. 37, 821-823 (2012).
[4] X. Hao, C. Kuang*, Y. Li, and X. Liu, "Continuous manipulation of doughnut focal spot in a large scale," Optics. Express 20, 12692-12698 (2012).
[5] H. Xiang, K. Cuifang*, L. Yanghui, and L. Xu, "A method for extending depth of focus in STED nanolithography," Journal of Optics 14, 045702 (2012).
[6] X. Yi, K. Cuifang*, H. Xiang, G. Zhaotai, and L. Xu, "A method for generating a three-dimensional dark spot using a radially polarized beam," Journal of Optics 13, 125704 (2011).
[7] C Kuang,* Xiang Hao, Xu Liu, Tingting Wang and Yulong Ku “Formation of Sub-Half-Wavelength Focal Spot with Ultra Long Depth of Focus” Optics communications, 284,1766–1769, (2011) .
 
三、基于表面波的频移机理的超分辨成像(返回目录)
       在高端集成电路分析中,为了检测位于表面下的晶体管,也必须使用非破坏性的光学显微成像技术。利用微球超透镜效应得到了100nm以下的分辨率。在透明微球(Microsphere)超透镜(Superlens)效应的基础上,进一步深入研究微球超透镜显微成像的机理,发展相应的超分辨显微成像方法。
 
1、远场亚波长聚焦-基于锗环和微球阵列 (返回目录)
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相关文献:
[1] Tingting Wang, CF Kuang*, Xiang Hao, and Xu Liu. ”Experimental verification of the far-field [2] subwavelength focusing with multiple concentric nanorings”. Appl. Phys. Lett. 97, 231105, (2010).
[2] Tingting Wang, CuifangKuang, Xiang Hao and Xu Liu, “Subwavelengthfocusing by a microspherer array,” J. Opt., 13(3), 2010.
 
 2、 基于多层微球的超长光束和基于微球与表面等离子体相结合的超小聚焦光斑(返回目录)
        微米介质球的光子喷射效应基于传导波和倏逝波的相互作用,使其呈现出聚焦强度高,发散角小的聚焦光场。改变介质微球结构,使其折射率呈现梯度变化,可以得到超长聚焦光束,喷射长度达10λ,而与表面等离子体波相结合,可以使聚焦光场进一步压缩,在聚焦强度提高的基础上,聚焦体积可达http://person.zju.edu.cn/fck_filebrowser.php?cmd=download&id=655245 .
 
相关文献:Yulong Ku, Cuifang Kuang, Xiang Hao, Yi Xue, Haifeng Li, and Xu Liu, "Superenhanced three-dimensional confinement of light by compound metal-dielectric microspheres," Opt. Express 20 (15), 16981-16991 (2012).
 
3、基于浸没半浸没微球的白光宽场超分辨成像(返回目录)
       微球的超透镜效应使得其具有可以呈现出50nm细节的白光宽场超分辨能力。而浸没半浸没液体可以使表面波的收集能力更强,使其成像效果更加明显。对比度大大提升。
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相关文献:H. Xiang, K. Cuifang, X. Liu, H. Zhang, and Y. Hui, "Microsphere based microscope with optical super-resolution capability," Appl Phys Lett 99, 203102 (2011).  
4、基于表面波的超分辨成像
      当样品被表面的倏逝场照明时,空间频率会被具有亚衍射极限的细节的样品移为传导模式,从而可以获得远场的超分辨。
注:相关文章已发表在APL上

 
 
四、三维超分辨相位显微术(返回目录)
       对于薄且透明的非荧光样品,当激光透过样品时,由于样品的不同区域折射率不同使激光的相位受到样品的调制而附带样品信息。通过干涉方法来检测受样品调制激光的调制信息,得到样品的折射率分布图,经过进一步处理得到该角度透射的折射率分布。在得到准确折射率分布图样基础上通过调整投射激光的角度(-60度-+60度),实现多角度透射成像。最后将一个扫描周期的所有图像整合起来,通过Radon反变换实现样品的三维重构。
 
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五、超分辨成像中的精密检测
 
1、基于全反射原理的微小量测量(返回目录)
       由于p偏振光和s偏振光在全反射临界角附近的反射率变化较为明显,利用这一特性,可以精确的测出目标物体微小位移或者微小角度的变化。   
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图 5-1-1 基于全内反射的光束准直性检测
 
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图 5-1-2 基于微分全内反射的纳米位移测量
 
 
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 图 5-1-3 基于全内反射的微小角度测量 
 
相关文献: 
[1] 基于全内反射的光束准直性检测新方法库玉龙 匡翠方 王婷婷 李海峰 刘旭 《光电子.激光》 2011年第22卷第11期 1671-1673页
[2] Yulong Ku, Cuifang Kuang, Ding Luo, Tingting Wang, and Haifeng Li, "Differential internal multi-reflection method for nano-displacement measurement," Opt Laser Eng 50 (10), 1445-1449 (2012)
[3] Yong Liu, Cuifang Kuang, and Yulong Ku, "Small angle measurement method based on the total internal multi-reflection," Optics & Laser Technology 44 (5), 1346-1350 (2012)
 
2、基于交叉柱面棱镜象散效应的轴向纳米尺度测量 (返回目录)
      基于交叉柱面棱镜的象散效应和四象限探测器的差分算法,可以获得30nm的轴向分辨率。 
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图 5-2-1 基于交叉柱面棱镜象散效应的轴向纳米尺度测量的系统图 
 
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图 5-2-2 样品不同相对位移下对应的光斑失真图(假彩色),其中对应的相对位移为(a) 0μm; (b)0.8μm; (c)1.6μm; (d)2.4μm; (e)3.2μm; (f)4.0μm; (g)4.8μm; (h) 5.6μm
 
 
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图 5-2-3 测量值与线性拟合:1)HFWHM处理模型 2)FQD处理模型 
 
相关文献: L. Li, C. Kuang*, D. Luo, X. Liu. “Axial Nano-displacement Measurement Based on Astigmatism Effect of Crossed Cylindrical Lenses”, Applied Optics 51:(13) (2012) (cover article)
 
3、一种基于色散效应的位移测量方法(返回目录)

       
为了获得一个更大的测量范围,传统的彩色共焦系统(chromatic confocal systems)一般通过采用波段更宽的光源,因此经常采用超连续谱光源。然而这种光源除了价格昂贵外,巨大的体型也限制了彩色共焦系统的应用。而且,为了满足共焦条件,离轴波段的光通常都需要滤掉,这样使得能量利用率和探测效率很低。为了解决以上问题,我们提出了一种基于大口径(62.5μm)光纤的彩色共焦系统。系统与高斯拟合方法相结合,可以在不牺牲探测效率的基础上获得600μm的测量范围和0.10μm的分辨率。
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图 5-3-1 系统图
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图 5-3-2 基于高斯拟合方法的波长-位移曲线
 
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图 5-3-3 不同步长下的分辨率实验:(a)0.30 μm, (b)0.20μm(c)0.10 μm.
相关文献:D. Luo, C. Kuang*, and X. Liu, "Fiber-based chromatic confocal microscope with Gaussian fitting method," Optics & Laser Technology 44, 788-793 (2012).