矢量衍射理论在强聚焦系统中的研究

作     者：肖超 

作者单位：西北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：贺庆丽;王凯歌

授予年度：2019年

学科分类：070207[理学-光学] 07[理学] 08[工学] 0803[工学-光学工程] 0702[理学-物理学] 

主      题：衍射积分理论 矢量光束 强聚焦系统 STED分辨率 

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NA0.7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NA0.7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。