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超振荡及其远场聚焦成像研究进展

物理学报 2016年第23期65卷 1-11页

作者：蒋忠君刘建军湖南大学物理与微电子科学学院微纳光电器件及应用教育部重点实验室长沙410082 纽约州立大学布法罗分校激光、光子学及生物光子学研究所美国布法罗14260

带限函数在某区间内的振荡速度超过其最高傅里叶分量的特殊性质被称为超振荡.基于超振荡原理的微纳光子学器件可在不依赖倏逝波条件下于远场处突破衍射极限,因此在超分辨成像、纳米光刻及高密度光存储等领域具有重要应用.简要介绍了超... 详细信息

带限函数在某区间内的振荡速度超过其最高傅里叶分量的特殊性质被称为超振荡.基于超振荡原理的微纳光子学器件可在不依赖倏逝波条件下于远场处突破衍射极限,因此在超分辨成像、纳米光刻及高密度光存储等领域具有重要应用.简要介绍了超振荡原理,重点归纳了几种超振荡微结构器件的设计及其聚焦成像性能,并指出了这些器件的不足及未来的研究重点.

关键词：超振荡亚波长聚焦超分辨

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大气湍流下超振荡望远成像的理论研究

激光技术 2023年第1期47卷 115-120页

作者：周健文姚纳赵汗青张云凡焦蛟孙旭伍波成都信息工程大学光电工程学院成都610225 电子科技大学航空航天学院成都610054

为了实现大气湍流动态干扰下望远镜对远距离目标的超衍射极限成像,采用光学超振荡原理局部衍射压缩光学系统点扩散函数,并对提高成像分辨率效果进行了理论研究。结果表明,中等湍流强度校正后,波前残差均方根约为波长的1/15(波长λ=632.8... 详细信息

为了实现大气湍流动态干扰下望远镜对远距离目标的超衍射极限成像,采用光学超振荡原理局部衍射压缩光学系统点扩散函数,并对提高成像分辨率效果进行了理论研究。结果表明,中等湍流强度校正后,波前残差均方根约为波长的1/15(波长λ=632.8 nm)时的干扰下,超振荡光场调制能够实现望远系统点扩散函数的衍射压缩,衍射压缩倍率为0.75;对不同中心间距双孔的成像研究验证了超振荡望远系统约0.80倍瑞利衍射极限的超分辨成像效果;波前残差的均方根大小可能会导致望远系统点扩散函数的衍射压缩倍率和成像分辨率存在差异。此研究结果可应用于高精度星点定位、超分辨望远等领域。

关键词：傅里叶光学望远镜超振荡大气湍流

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光学超振荡与超振荡光学器件

物理学报 2017年第14期66卷 56-75页

作者：陈刚温中泉武志翔重庆大学光电工程学院光电技术及系统教育部重点实验室重庆400044

传统光学器件的衍射极限极大地制约了远场超分辨光学系统的进一步发展.如何从光学器件层面突破光学衍射极限瓶颈,实现非标记远场超分辨光学成像,是光学领域面临的巨大挑战.光学超振荡在不依靠倏逝波的条件下,可以在远场实现任意小的亚... 详细信息

传统光学器件的衍射极限极大地制约了远场超分辨光学系统的进一步发展.如何从光学器件层面突破光学衍射极限瓶颈,实现非标记远场超分辨光学成像,是光学领域面临的巨大挑战.光学超振荡在不依靠倏逝波的条件下,可以在远场实现任意小的亚波长光场结构,这为突破光学衍射极限提供了一条崭新的途径.近年来,光学超振荡现象和超振荡光学器件的相关研究得到了快速发展,在理论和实验上成功地演示了超振荡光场的产生和多种超振荡光学器件,并在实验上展示了超振荡光学器件在非标记远场超分辨光学显微、成像以及超高密度数据存储等应用领域的巨大优势和应用潜力.本文对光学超振荡相关理论、超振荡光学器件设计理论和方法、超振荡光学器件发展现状、超振荡光场测试方法以及超振荡光学器件的应用等方面进行详细介绍和分析.

关键词：超振荡超分辨衍射器件亚波长

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超振荡望远成像系统中球差影响分析

光电工程 2023年第8期50卷 109-120页

作者：柳少扬杜文娟焦蛟姚纳孙旭倪磊李文凯湘潭大学物理与光电工程学院湖南湘潭411105 电子科技大学航空航天学院四川成都610054 西南科技大学制造科学与工程学院四川绵阳621010 中国科学院光电技术研究所光电工程总装中心四川成都610209

在超振荡望远系统中,球差是影响其分辨本领的重要因素,其原因在于球差导致强度点扩散函数视场内产生高旁瓣,降低该系统的分辨力。本文分析了超振荡望远系统中球差对成像的影响,并确定了该系统对初级球差的容许范围。基于光学超振荡原理... 详细信息

在超振荡望远系统中,球差是影响其分辨本领的重要因素,其原因在于球差导致强度点扩散函数视场内产生高旁瓣,降低该系统的分辨力。本文分析了超振荡望远系统中球差对成像的影响,并确定了该系统对初级球差的容许范围。基于光学超振荡原理,利用线性规划的优化方法,设计超振荡望远系统,在532 nm工作波长下能够实现0.68倍瑞利判据的分辨力。构建针对超振荡望远系统球差的定量分析数学模型,该系统在均方根(root mean square,RMS)不超过0.041倍波长的初级球差干扰下,能分辨三缝目标物,同时分析了窄带工作波长对于该球差系统带来的成像影响。本文在光学测量、环境监视、超分辨望远等领域具有潜在的应用前景。

关键词：超振荡望远系统球差瑞利判据

基于数字微镜器件的超振荡光场产生及实验验证

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中国激光 2018年第1期45卷 229-232页

作者：霍英东曹博陈丹妮田进寿于斌屈军乐中国科学院西安光学精密机械研究所超快诊断技术重点实验室陕西西安710119 中国科学院大学北京100049 深圳大学光电工程学院广东深圳518060

介绍了光学超振荡的原理及设计方法,利用纯振幅调制的空间光调制器(SLM)-数字微镜器件(DMD),从实验上获得局部超分辨的超振荡光场,并采用空间频谱分析的方法进行验证。实验结果表明,产生的超振荡光场中超振荡区域的特征尺寸为衍射极限的... 详细信息

介绍了光学超振荡的原理及设计方法,利用纯振幅调制的空间光调制器(SLM)-数字微镜器件(DMD),从实验上获得局部超分辨的超振荡光场,并采用空间频谱分析的方法进行验证。实验结果表明,产生的超振荡光场中超振荡区域的特征尺寸为衍射极限的60%,经空间频谱的分析可知,所产生的超振荡光场中并没有超过衍射极限的高空间频率成分产生。

关键词：图像处理超分辨数字微镜器件超振荡空间滤波

基于涡旋奇点构建超振荡光场的理论与实验研究

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基于涡旋奇点构建超振荡光场的理论与实验研究

作者：林浩麟暨南大学

学位级别：硕士

传统的光学系统存在衍射极限,这使得尺寸小于入射光波长二分之一的物体无法被分辨出来,而超分辨技术一直是光学领域的研究重点。近年来有研究提出可以利用光学的超振荡现象来突破光场的衍射极限从而实现光学超分辨,而超振荡是指具有一... 详细信息

传统的光学系统存在衍射极限,这使得尺寸小于入射光波长二分之一的物体无法被分辨出来,而超分辨技术一直是光学领域的研究重点。近年来有研究提出可以利用光学的超振荡现象来突破光场的衍射极限从而实现光学超分辨,而超振荡是指具有一定函数结构的光场在局部区域会产生比其傅立叶频谱带宽上限还高的分量。在理论和实验上构造一种同时实现超振荡和涡旋的新型光场。第一,我们介绍了超振荡光场的研究现状以及主要的理论构造方法,其主要分为通过优化算法来设计超振荡透镜并通过电子束和等离子束来刻蚀来制备样品,其次则是通过设计相位全息掩膜板并且借助空间光调制器（SLM）以及高数值孔径物镜聚焦实现超振荡光场。第二,我们从理论基于复数多项式与高斯函数乘积构造了超振荡光场,并且发掘该种光场的一些应用前景以及研究其传播动力学。基于先前构造的超振荡光场我们在理论上计算了其局域空间频率（Local Wave Number）,并且发现光场的相位奇点处的局域空间频率尖峰具有成为新型光学标尺的潜力,于是我们针对影响尖峰的FWHM的因素展开了研究。第三,我们对基于异性涡旋构造的超振荡光场的进行推广,通过共轭复数多项式引入负奇点,这使得光场能够同时存在不同性质的涡旋奇点,即奇点携带不同性质的拓扑荷。我们从傍轴理论研究了该种光场的传播动力学,发现了奇点的湮灭现象与奇点的移动,并且奇点移动规律与基于只有一种类型多项式构造的光场完全不同。最后,通过介绍了空间光调制器的相位校验以及相位全息图的编码方法,我们生成了需要的相位全息掩膜板并且搭建实验系统进行验证。

关键词：超振荡光学涡旋光场传输光场调控

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基于超振荡透镜的非标记超分辨光学显微技术

基于超振荡透镜的非标记超分辨光学显微技术

作者：武靖重庆大学

学位级别：硕士

近年来,突破衍射极限,不断提高光学成像系统分辨率成为了光学研究领域的一大热点。20世纪初期至今,科研人员提出了多种实现光学超分辨的方法。且伴随着光学成像分辨率的不断提高,超分辨显微成像已经应用在了生物医学、材料、化学、光谱... 详细信息

近年来,突破衍射极限,不断提高光学成像系统分辨率成为了光学研究领域的一大热点。20世纪初期至今,科研人员提出了多种实现光学超分辨的方法。且伴随着光学成像分辨率的不断提高,超分辨显微成像已经应用在了生物医学、材料、化学、光谱成像等各个领域。但目前常见的超分辨显微成像技术通常需要进行荧光标记,对于生物样品具有一定的光毒性。本文采用的基于超振荡透镜的非标记超分辨光学显微技术,可以有效的解决这一问题,具有良好的研究前景。本文的主要工作包括:(1)介绍了超分辨显微技术的研究背景、研究意义以及国内外研究现状,从而提出本文的研究目标和研究内容。(2)介绍了点扩展函数和圆偏振光的相关理论,并推导了圆偏振光矢量角谱传播公式。(3)简单介绍了粒子群优化算法,并利用粒子群优化算法结合圆偏振光矢量角谱衍射公式设计得到半径为650λ,焦距为200λ,数值孔径为0.956,半高全宽为0.379λ,旁瓣比34.989%的点聚焦器件,在焦平面处突破了0.397λ的超振荡极限。(4)介绍了基于超振荡透镜的非标记超分辨光学显微系统的基本工作原理,搭建了超分辨光学显微系统及其前端光路,完成包含编写系统控制程序、数据处理程序以及图像重建程序的上位机软件,介绍了该上位机软件的基本组成模块及其功能,并对调用动态链接库、多线程控制以及数据处理和图像重建进行了简单介绍。(5)实验测得基于圆偏振光矢量角谱衍射公式和粒子群算法的设计方法所设计的超振荡透镜在焦平面上X方向半高全宽达到0.381λ,突破了超振荡极限0.397λ,Y方向半高全宽达到0.413λ,突破了衍射极限0.523λ,接近超振荡极限。(6)综合考虑,选择了本组设计的更适合于超分辨光学显微的聚焦成超长光针的菲涅尔波带片作为显微成像实验所用的超振荡透镜,验证其聚焦性能,实验得到长达88.263λ的超长光针,突破衍射极限的部分达到67.902λ。(7)从超长光针中选择对称性和均匀性良好的聚焦光斑作为显微成像的扫描光束,对亚波长光栅进行非标记远场超分辨显微成像相关测试,实现了λ/3的超分辨显微成像。

关键词：超振荡非标记显微远场显微超分辨显微

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基于超振荡原理的超分辨透镜优化设计与制备

基于超振荡原理的超分辨透镜优化设计与制备

作者：刁金帅西北工业大学

学位级别：硕士

由于光学衍射极限的存在,光学系统的分辨率受到极大的限制,因此,突破衍射极限实现光学超分辨聚焦和成像成为科学研究中的一个热点和难点问题。随着微纳米技术的发展,光学超分辨技术在超微细光刻、生物/医学超分辨成像观测、粒子操纵、... 详细信息

由于光学衍射极限的存在,光学系统的分辨率受到极大的限制,因此,突破衍射极限实现光学超分辨聚焦和成像成为科学研究中的一个热点和难点问题。随着微纳米技术的发展,光学超分辨技术在超微细光刻、生物/医学超分辨成像观测、粒子操纵、高密度数据记录及存储等领域具有十分重要的研究意义和应用价值。目前,通过平面金属薄膜纳米结构实现光学超分辨的方式主要有两种:一种是利用表面等离子体恢复和放大倏逝波并使其参与成像,但是该方法实现的工作距离很小,难以在准远场及远场实现超分辨;另一种方式是根据光学超振荡原理通过精细调节衍射光束干涉传播过程能够在远场区域形成具有超振荡特性的亚波长光斑。本文通过对光学超振荡实现超分辨的机理进行分析,研究超振荡透镜聚焦性能的可控性矢量优化设计方法,并对超振荡透镜的聚焦性能进行仿真和实验测试,完成对理论优化设计结果的验证分析。本文主要研究内容如下:1.探究光学超振荡实现超分辨的机理,并对目前超振荡透镜的设计方法进行深入分析。研究发现:衍射极限只是一种实际上的限制,根据光学超振荡现象,衍射光斑的尺寸在理论上是没有极限的,关键在于处理好聚焦光斑与旁瓣能量之间的关系。针对超振荡透镜聚焦性能的可控性问题等,提出建立多目标多约束优化设计模型实现透镜亚衍射极限聚焦的精确可控。2.针对衍射相关的理论基础进行分析,确定矢量衍射理论对超振荡透镜设计具有普适性并推导不同偏振态下透镜的衍射光场分布。通过时域有限差分法(Finite Difference Time Domain,FDTD)对不同孔径下圆孔衍射的强度分布进行仿真分析并与理论计算结果进行对比,验证了矢量衍射理论对超振荡透镜设计的有效性。3.基于矢量角谱理论建立了超振荡透镜亚衍射极限光斑和亚衍射极限光针优化设计模型。采用遗传算法和快速汉克尔变换算法编制Matlab优化求解程序。利用FDTD对超振荡透镜理论设计结果进行仿真分析,仿真结果和设计结果基本吻合,从而证明了本设计模型能够较好地实现超振荡透镜聚焦性能的可控性优化设计。4.根据超振荡透镜的结构特征结合微纳米加工技术的特点,采用聚焦离子束(focused ion beam,FIB)纳米加工技术完成器件的制备。同时,利用尼康倒置显微镜光路系统搭建透镜性能测试平台并对实验测试中的关键因素进行分析。最后将实验结果与理论设计结果进行对比并分析误差产生的原因。本文的主要创新点是提出并建立了多目标多约束的优化设计模型,实现了超振荡透镜的可控性优化设计。

关键词：超分辨超振荡衍射理论优化模型性能测试

基于合成孔径雷达方位向数字超分辨的技术研究

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基于合成孔径雷达方位向数字超分辨的技术研究

作者：张深电子科技大学

学位级别：硕士

能全天时全天候工作是雷达遥感相比其他遥感独特的优势。合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)在此基础上还能有较好的多维度的分辨率,能获取更多的信息,在侦察、探测、监控等军事领域和灾情预警、地质勘探、测绘乃至农业等民用... 详细信息

能全天时全天候工作是雷达遥感相比其他遥感独特的优势。合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)在此基础上还能有较好的多维度的分辨率,能获取更多的信息,在侦察、探测、监控等军事领域和灾情预警、地质勘探、测绘乃至农业等民用场景都有着广泛的需求和应用。随着应用的不断深入,面对的问题与挑战不断增加,其中之一便是需要获得更高分辨率的图像,但传统的通过硬件和物理手段直接提高分辨率的方法已不能满足各种不同条件下分辨率的需求。因此提出了超分辨研究的概念,通过数据处理的软件层面的改进能有效解决这个问题,也是对SAR提高分辨率的研究的重要组成部分。目前对超分辨成像的研究各有侧重而未有定论,本文进行了以下研究,主要包括:(1)针对当前SAR成像的理论分辨率限制,提出了一种基于频域成像算法的超分辨优化方法,能应用于大多数SAR成像场景,保持有较高的成像效率的同时得到精细度更高的理论分辨率的图像。(2)考虑到超振荡理论在成像领域应用中存在的问题以及限制,通过查阅和总结相关研究内容,分析已有研究中的聚焦模型和SAR回波信号聚焦过程,选择了适用于SAR成像的超振荡优化方法,把优化方法应用于SAR的聚焦模型,推导并求解了一套可以实现超分辨成像的优化参数。(3)将基于超振荡的超分辨设计参数应用于回波信号聚焦,形成了基于超振荡优化的SAR超分辨成像算法。通过点目标仿真对算法的可行性和正确性进行了验证,并与频域成像算法的点目标仿真结果进行对比分析。通过开源的现实图像数据对算法的适用性进行了验证,并分析了本文中优化方法的效果与不足。

关键词：合成孔径雷达成像算法超分辨成像超振荡