近场光学显微术对凋亡HeLa细胞成像的探索

用扫描近场光学显微镜对凋亡的HeLa细胞进行了近场光学成像,得到优于光学衍射极限的光学分辨率.由于近场光学显微镜同时测量细胞表面形貌信息和透射光强信息,可以将细胞表面及其内部的物质结构特性和光学特性与空间位置相结合,获得凋亡细胞的结构信息与光学细节信息的对应关系.运用近场光谱方法在不同波长进行透射光谱成像时,不同波长的光在细胞内的传播与吸收所造成的光强分布存在显著差别,这种特性可以用于对细胞内不同组分的超高空间分辨率成像.结合近场光学成像和光谱成像结果,表明凋亡HeLa细胞内部为非均匀结构,并且其物质分布也极不均匀.研究表明,运用近场光学显微镜和近场光谱成像技术,不但提供优于衍射极限的高分辨本领,还可以提供生物细胞精细结构的更深层次的光学信息.     

近场光学与近场光学显微镜

近场光学是研究距离物体表面一个波长以内的光学现象的新型交叉学科。基于非辐射场的探测与成像原理,近场光学显微镜突破常规光学显微镜所受到的衍射极限,在超高光学分辨率下进行纳米尺度光学成像与纳米尺度光谱研究。本文将讨论近场光学的基本原理,非辐射场的探测与高分辨率的关系;光学限阈及隐失场在近场光学中的重要性;以及近场信息的获取方法。对近场光学显微镜的主要类型及相应的仪器发展,分辨率,衬度原理做一综述。同时简要介绍近场光学显微镜在超高分辨率光学成像,近场局域光谱,高密度数据存储,在生命科学,单分子光谱,量子器件发光机制等领域中的应用。     

显微术浅议

1显微术发展历史及现状人类总是不断地探索更小尺度的自然现象。近年来,光学这门自然科学里最古老的学科,也随着这个时代潮流焕发出崭新的生命力,诞生了近场光学显微镜这种新的观测工具,使得人们能够观测纳米尺度的光学现象。传统的光学显微镜是以光学透镜为主体,利用透镜能将物体放大成像的功能而制成的。一般的,单级透镜能将物体放大几十倍,级联使用可达到千倍以上。从根本上说,光的衍射效应限制了光学显微镜进一步提高分辨率的可能性。根据瑞利判据,光学成像系统的分辨率δx≥0.61λ/N.Sinθ,其中λ为光波波长,N.Sinθ为光学成像系统的数值孔径,对于单透镜,它等于透镜的直径与焦距的比值。由此可见,提高分辨率的方法有三个途径(1)选择更短的波长。(2)用折射率很高的材料以提高N。(3)增大显微镜的孔径角θ。而通过这几个途径来得到更大放大倍数、更高分辨率的显微镜,在可见光范围内没有多少改善的余地,也受到许多技术上的制约。上世纪80年代以来,随着科学与技术向小尺度与低维空间的推进与扫描探针显微技术的发展,在光学领域中出现了一个新型交叉学科一近场光学。近场光学对传统的光学分辨极限产生了革命性的突破。与传统光学显微镜相比,近场光学显微镜最大区别在于(1)以纳米级的光学探针代替了传统光学显微镜镜头(2)在探测过程中探针被控制在样品表面一个波长以内的近场区域。而样品表面的近场区域内存在携带物体表面精细结构信息的非辐射场,所以,处于近场区域内的探针可探测到亚微米级的光学信息,突破了瑞利衍射极限的限制。在理论上,其分辨率是无限大的,但由于技术上探针针尖不能做的无限小,探针也不能太接近样品表面,所以在实际应用中,分辨率还是有限的。1982年,瑞士苏黎士IBM的宾尼和罗雷尔制成了世界上第一台扫描隧道显微镜(STM),极大地提高了观测灵敏度,比传统电子显微镜提高了两个数量级。在被应用到光学领域时,极大的推动了扫描近场光学显微镜(SNOM)的诞生和发展。1984年瑞士苏黎士IBM研究小心用金属镀膜的石英晶体尖端制成的纳米尺寸光孔作为探针制成了世界上第一台近场光学显微镜,同时美国康乃尔大学用微毛细管拉成的极细光孔为探针制成了近场光学显微镜。从此,近场光学显微镜走向成熟,并广泛应用于许多微观现级观测领域。     

纳米小孔光学近场分布的研究

扫描近场光学显微镜突破了传统远场光学的衍射极限 ,能够获得超高光学分辨率。亚波长尺寸的小孔作为扫描近场光学显微镜中常用的金属膜光纤探针的简化模型。研究光透过小孔后的近场分布特性 ,对理解和分析探针在近场成像中的作用十分重要。采用时域有限差分 (FDTD)方法研究了无限大理想导体屏上纳米小孔的近场分布 ,计算结果表明 ,入射偏振光从小孔出射后发生了退极化 ,即出射光含有与入射光偏振方向垂直的电场分量。文中详细分析了小孔的近场分布特征与退极化之间的关系 ,研究了小孔的形状以及入射光偏振态对近场分布的影响     

光子扫描隧道显微镜的超衍射分辨的光子理论假说

光子扫描隧道显微镜（ＰｈｏｔｏｎＳｃａｎｎｉｎｇＴｕｎｎｅｌｉｎｇＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ，简称ＰＳＴＭ）的发明是在近场光学理论、全内反射理论、光纤技术、高灵敏度光电探测技术和计算机等获得重大进展的基础之上取得的，最近的研究结果表明其ＰＳＴＭ已实现１～３ｎｍ的超衍射极限的分辨率，如何解释ＰＳＴＭ能够获得如此高的超衍射极限分辨率？ＰＳＴＭ能获得的超衍射极限分辨率会是多少？本文提出一种关于ＰＳＴＭ的光子理论假说，这个假说是基于下面两个基本定律：１．光子不只是携带能量和光学信息的载体，也是具有一定空间尺寸的基本粒子２．当光子发生反射、折射、散射等时，仅改变它所携带的能量和光学信息，它的粒子尺寸并不改变，即ｐｈｏｔｏ＝常数．将上面两个基本定律应用于ＰＳＴＭ时，所谓“消逝场（ｅｖａｎｅｓｃｅｎｔｆｉｅｌｄ）”实际上乃是弱光子分布场，探测光纤尖端尺寸实际上相当于一个“门”，它控制着进入光纤的光子数量，通过一些计算，可获得如下几个结论：１．在ＰＳＴＭ的探测系统足够灵敏的条件下，探测光纤尖端的直径Ｄ和近场探测间距Ｚ是决定ＰＳＴＭ超级射分辨率的两个最重要的因索．２．ＰＳＴＭ分辨极限将产生在Ｄ＝ｐｈｏｔｏｎ和Ｚ＝ｐｈｏｔｏｎ．３Ｐ     

SNOM—对传统光学衍射极限的革命性突破

扫描近场光学显微镜的出现 ,对传统光学衍射极限产生了革命性的突破 ,实现了对亚微米甚至纳米尺度样品的光学成象 .通过与传统光学显微镜成象原理的对比 ,论述了扫描近场光学显微镜实现高分辨率成象的原理     

微球聚焦特性研究

随着纳米科学和生命科学不断深入的研究提出了越来越高的分辨率需求,如在光学显微镜、光刻、光信息存储等诸多光学应用领域,在传统光学领域中,由于空间衍射极限的存在,导致聚焦光斑尺寸和远场成像出现极限分辨率的问题。突破衍射极限在远场实现超分辨率成像成为了现在研究的热点,近期研究学家说明了微球可以实现突破衍射极限的超分辨率成像。本文我们分析微球的聚焦特性。微球的聚焦光斑尺寸可以突破衍射极限,其腰斑半径小于λ/2。从仿真的结果可以看出聚焦光斑的尺寸与微球的半径以及折射率有关。     

矢量偏振光微圆孔矢量夫琅禾费衍射

利用瑞利——索末菲矢量衍射公式导出矢量偏振光微圆孔矢量夫琅禾费衍射的解析计算式,探讨了矢量衍射的实质和特征以及一般孔和亚波长孔矢量衍射情形。模拟实验表明该计算式的有效性和可靠性,可在微光学、近场光学、衍射成像、光束传输变换和光信息处理等方面发挥应有作用。     

超近场光学扫描显微镜的研究

近场光学扫描技术是近年兴起的高新技术之一。超近场光学扫描尚未见报导。本讨论超近场光学扫描显微镜的工作原理及其超分辨理论。     

超分辨近场光学成像技术及其产业开发

超分辨近场光学成像技术是当前国内外一个重要的高新技术前沿课题，也将是我国21世纪初应该发展的一项高新技术产业。文中介绍了我国自1991年以来开拓研究的进展，探讨了国际学术界及产业开发中当前存在的主要问题，提出了各类超分辨扫描模式成像公式的乘法表达式，并作了分析比较。为解决消除假像和从有形貌等混合图像中分离纯光学图像两大难题，作者曾于1993年和1996年提出两项发明专利，为发展我国的该产业解决了两大技术关键。     

我国学者在无标记远场超分辨领域取得突破

正超越"衍射极限",实现具有亚百纳米分辨率的显微成像已成为人类探索微观世界不可或缺的技术手段,是国际研究热点。2014年的诺贝尔奖得主发明了基于荧光标记的STED、STORM、和PALM,使人类的光学显微进入了超分辨时代。然而目前的超分辨技术面临着需要借助荧光标记、视场狭窄、样品选择性强、应用对象极为受限等瓶颈。普适性强、可快速成像的无标记的宽场远场超分辨显微方法成为显微领域亟待突破的关键。近来,浙江大学杨青、刘旭团队开创性地将发     

自适应光学技术在天文观测中的研究进展

自适应光学技术克服大气湍流的干扰,使大口径光学望远镜的角分辨率不再受限于大气相干长度,成像接近光学系统的衍射极限.自适应光学技术在波前探测、校正和提高成像视场等方面的不断进步,极大地促进了天文学的发展.目前,天文观测中的自适应光学技术按应用主要分为三类:传统的大视场高分辨率天文观测、系外行星观测和太阳观测等.它们对自适应光学技术的要求各不相同,本文分别对自适应光学技术在这三方面的应用和其他关键单元技术的进展,进行了详细的总结与展望,这些对未来我国发展大口径自适应光学望远镜有参考价值.     

2015-02 国内期刊亮点

光学超分辨成像精度破极限达4.1 nm中国科学院量子信息重点实验室孙方稳研究组利用光学超分辨成像技术实现了对单个自旋态的纳米量级空间分辨率的测量和操控,其成像精度达到4.1 nm。研究成果1月2日发表在Light:Science & Applications上。金刚石中的氮—空位色心是一种发光缺陷,近几年在量子信息领域得到广泛关注,被认为有望实现室     

平面偏振光波的微矩孔矢量夫琅禾费衍射

利用瑞利——索末菲矢量衍射公式导出平面偏振光波矩孔矢量夫琅禾费衍射的解析计算式,探讨了矢量衍射的实质和特征以及数十倍波长尺寸矩孔、亚波长矩孔和波长级矩孔夫琅禾费衍射的情形.模拟实验表明了该计算式的有效性和可靠性,可在近场光学、微光学、衍射成像、光束传输变换和光信息处理等方面发挥应有作用.     

太赫兹时域光谱成像系统的研究进展

太赫兹时域光谱成像技术具有穿透性、超快时间分辨能力、指纹光谱特性、安全无辐射电离等显著特点,在物质成分光谱分析、工业材料无损检测领域具有独特的应用价值,成为近些年来的研究热点。基于此,从成像体制和成像算法两个方向进行介绍。在成像体制层面,全面介绍了逐点扫描成像、太赫兹焦平面成像、太赫兹光电导阵列成像等二维的成像方式,以及突破衍射极限的太赫兹近场成像技术;在成像算法层面,介绍了飞行时间成像和断层扫描成像技术等三维成像方式。列举了太赫兹技术在生物医学、无损检测、安防检测等领域的应用。最后总结了当前太赫兹时域光谱技术所面临的问题。     

国外期刊亮点

<正>光学超分辨成像精度破极限达4.1 nm中国科学院量子信息重点实验室孙方稳研究组利用光学超分辨成像技术实现了对单个自旋态的纳米量级空间分辨率的测量和操控,其成像精度达到4.1 nm。研究成果1月2日发表在Light:Science Applications上。金刚石中的氮—空位色心是一种发光缺陷,近几年在量子信息领域得到广泛关注,被认为有望实现室     

等离子体激元纳米传导及电路

受衍射效应的影响，传统的聚焦光斑大小或者传播光束直径一般只能限制在波长量级的线度范围。随着微细加工技术和集成光学的不断发展，光学元器件的不断小型化已经接近光的衍射极限。如何获得突破衍射极限的各种高效光耦合器、光波导及光调制器，是实现纳米全光集成的基础，也是目前纳米光子学领域的一大研究热点。令人可喜的是，由金属一电子界面组成的电磁模式对于克服衍射极限，提高光学带宽有重大意义。     

突破衍射极限的超透镜

由于衍射的存在,传统光学成像系统的分辨率受到极大的限制,突破不了阿贝极限.新型异质材料所形成的超透镜却突破了这种极限限制,从而使得完美成像不再只是一个梦想.本文主要介绍这种超透现象的物理原理及研究进展.     

突破衍射极限的超透镜

由于衍射的存在,传统光学成像系统的分辨率受到极大的限制,突破不了阿贝极限.新型异质材料所形成的"超透镜"却突破了这种极限限制,从而使得完美成像不再只是一个梦想.本文主要介绍这种超透现象的物理原理及研究进展.     

国内科技期刊亮点

我国首例飞秒时间分辨近场光学系统成功实现国内首次将飞秒光脉冲和近场光学显微镜相结合,成功实现了三维空间加一维时间的四维高分辨光谱,从而为研究介