功率谱密度法标定光镊的三维光阱刚度

采用四象限探测器和功率谱密度法，搭建了一套快速标定光镊三维光阱刚度的测量系统．实验中，用四象限探测器记录微粒做受限布朗运动时的位置信息，用功率谱密度法标定光阱刚度，测得了直径0．97μmSiO2小球和直径1μmPMMA小球的光阱刚度与激光功率的关系．结果表明：对于SiO2小球，当激光功率为50～120mw时，光阱刚度与激光功率成正比；对于PMMA小球，当激光功率为80～130mw时，光阱刚度与激光功率成正比．该光镊系统可用于生物、物理等微观领域研究的高准确度测力系统．

不同偏振态光镊三维光阱刚度的比较研究

为了研究激光偏振态对光阱刚度的影响,本文比较了四种不同偏振态光场(方位角偏振光、径向偏振光、线偏振光、圆偏振光)捕获不同尺寸SiO2微粒的三维光阱刚度.研究结果表明:当SiO2微粒的尺寸和激光波长相近时,圆偏振光和线偏振光的三维光阱刚度大于径向偏振光和方位角偏振光的三维光阱刚度;而随着SiO2微粒尺寸的增加,方位角偏振光和径向偏振光的三维光阱刚度大于圆偏振光和线偏振光的三维光阱刚度.此外,实验也表明:使用浸油物镜捕获微粒时,物镜匹配油的折射率和水的折射率不一致引起的球差,会降低系统对物镜数值孔径的利用.通过这些研究工作,可以为不同偏振态光场的测力研究提供一定的指导和参考.

基于希尔伯特变换的结构光照明快速三维彩色显微成像方法

结构光照明显微是一种宽场显微技术,可以实现超分辨成像和三维光切片成像.基于HSV(色相、饱和度、明度)彩色空间的结构光照明全彩色三维光切片成像技术可以复原样品表面的真彩色信息,但每一层光切片都需要采集3幅固定相移差的原始图像,这对于需要多视场拼接的大尺寸样品而言,图像采集数据量大、图像重构时间长的缺点就凸显出来.鉴于此,本文提出一种基于希尔伯特变换的结构光照明快速三维彩色显微成像方法,只需在样品的每一层采集2幅原始图像便可以重构出该层的全彩色光切片图像,因此图像采集量减少了1/3,图像重构时间节约了约28%,有效提高了彩色三维成像的效率和速度.

轴向多光阱微粒捕获与实时直接观测技术

传统的光镊技术使用单个物镜同时进行光学捕获与显微成像,使得捕获与成像区域被限制在物镜焦平面附近,无法同时观察到沿光轴方向(即Z向)捕获的多个微粒.本文提出一种轴平面(XZ平面)GerchbergSaxton迭代算法来产生沿轴向分布的多光阱阵列,将轴平面成像技术与光镊结合,实现了沿轴向对二氧化硅微球的多光阱同时捕获与实时观测.通过视频分析法测量了多个二氧化硅微球在轴向光镊阵列中的布朗运动,并标定了光阱刚度.本文提出的轴向多光阱微粒捕获与实时观测技术为光学微操纵提供了一个新的观测视角和操纵方法,为生物医学、物理学等相关领域研究提供了一种新的技术手段.

完美涡旋光拓扑荷的原位测定

为了实现对完美涡旋光拓扑荷的快速测定,提出了一种同轴干涉测定方法,其基本思路是利用一个空间光调制器同时调制产生完美涡旋光与球面波,调制球面波的发散角使两者发生干涉,利用干涉条纹数来实现拓扑荷数的直接快速测定.理论模拟和实验测定结果表明,利用该方法得到的干涉条纹可以测定完美涡旋光的拓扑荷,包括大小与符号.进一步,利用该方法测量了完美涡旋光阵列与球面波的干涉图样,实现了对每个完美涡旋光的拓扑荷的快速测定.该原位测定方法简单、有效,对于利用完美涡旋光实现轨道角动量控制和信息编码等应用具有参考意义.

快速宽场三维显微技术研究进展

激光扫描显微镜通过扫描高度汇聚的激光焦点可以获得样品的三维图像,而激光扫描显微镜时间分辨率低、光毒性大的缺点限制了其在活体快速三维成像等领域中的应用。近年来具有三维成像能力的宽场显微镜技术逐渐成为三维成像领域的研究热点。聚焦形貌恢复技术、结构光照明显微技术以及深度学习辅助三维成像是三种基于宽场成像的快速三维成像技术,通过硬件提升和软件辅助的方式,提高了宽场显微镜的三维成像能力。分别介绍了它们的原理、优缺点、最新的研究进展与应用,最后对宽场三维显微技术的未来发展进行了总结与展望。

基于空间光场调控技术的光学微操纵

光镊技术具有无机械接触与高精度操纵微小尺度粒子的优点,自发明以来已逐渐成为生命科学和胶体物理学等领域中强有力的研究工具。随着研究的深入,传统的单光阱光镊已难以满足更高级的应用需求。近年来,空间光场调控技术通过对光场的振幅、相位和偏振态分布的调制,极大地丰富和增强了光学微操纵技术的功能,促进了包括激光微纳加工、微粒分选与输运、胶体粒子物理特性研究等方面的发展。从光场的振幅、相位和偏振态调制技术出发,综述近年来空间光场调控技术的发展及其在光学微操纵中的应用,重点介绍全息光镊、特殊模式光束微操纵、矢量光场微操纵等光学微操纵技术的研究进展。

基于纯相位液晶空间光调制器的全息光学捕获与微操纵

在经典Gerchberg-Saxton(GS)算法的基础上,提出一种改进的快速三维GS算法获取目标场的全息图(CGH)并用于全息光镊系统中,从理论和实验上充分证明了该算法的快速性和有效性。实验搭建了一套基于纯相位液晶空间光调制器(SLM)的全息光镊系统,实现了对酵母菌细胞和二氧化硅小球等微粒的多光阱、多平面三维稳定捕获和动态操纵。实验上还产生了具有强度梯度的线状光阱和光学涡旋光阱,实现了对微粒的运输和旋转操纵。这种可以对微粒实现多光阱、多平面动态三维操纵的全息光镊系统为生物、胶体物理等研究提供了一种新的微操纵工具。

基于菌紫质F态的永久光存储研究

在线偏振飞秒激光激发下,菌紫质通过双光子光化学反应可以生成具有永久光致各向异性的蓝移产物F540态.基于F540态的永久光致各向异性,通过调控飞秒激光空间光场分布,可以在菌紫质薄膜中实现永久光信息存储.本文使用纯相位型空间光调制器调制飞秒激光光场,在物镜焦平面上生成光学点阵图案,可以将信息快速记录在菌紫质薄膜中.同时,通过改变入射激光偏振方向,可以实现偏振复用光存储,这在高密度光存储和数据加密领域具有潜在应用.

受激发射损耗显微中空心损耗光的光强分布优化研究

受激发射损耗显微技术(STED)作为一种远场超分辨显微成像技术,具有几十纳米甚至几纳米的空间分辨率,是细胞生物学等研究领域的重要成像工具。圆环形空心损耗光在物镜焦点附近的光场强度分布对STED空间分辨率起决定性作用。在高数值孔径物镜聚焦下,光场的偏振态会对聚焦光场的强度分布产生显著的影响,此外,显微系统的轴外像差会严重破坏空心损耗光焦斑的中心对称性。基于矢量衍射理论,理论模拟了在高数值孔径物镜聚焦条件下,入射涡旋光的偏振态和光学系统中的彗差和像散对空心损耗光焦场强度分布的影响。实验上使用纯相位型空间光调制器来校准光学系统相差,优化变形的损耗光,利用纳米探针扫描焦点区域,测量了其焦场强度分布。测量结果与由矢量稍微理论观测的结果一致。

高速超分辨结构光照明显微的关键技术及应用

光学显微成像技术无论是在临床诊疗还是在基础科学研究上都发挥着重要的作用。伴随着新型荧光探针、光学控制、探测器件的不断发展,超分辨光学显微技术突破了传统光学衍射极限的限制,为现代生物医学研究提供了新的工具。在超分辨显微成像技术中,结构光照明显微镜(SIM)通过空间编码的结构光照明样品,将样品部分超出衍射极限的高频信息调制到低频中,从而通过光学系统实现超分辨成像。SIM具有成像速度快,光漂白和光毒性弱以及对荧光染料的非特异性需求等优点,被广泛应用于活细胞超分辨光学显微成像。本文回顾了SIM技术的重要原理与技术进步,重点介绍了SIM硬件设计与图像重构算法中关键的实验要点与技术难点,列举了现阶段SIM在生物成像中的部分应用,探讨了SIM未来的发展方向。期望本文能为SIM的设计和使用者提供一定的指导。

全息光镊在生物学研究中的应用

作为一种非侵入式的高精度微操控和力传感工具,光镊已被广泛应用于生命科学领域的研究。全息光镊利用空间光调制器调控光场,可以灵活地产生任意排布的光阱阵列,具有比传统单光镊更高的灵活性,目前已在生物医学领域展现出巨大的应用价值。本文综述了全息光镊的基本原理、全息图算法,以及全息光镊在生物学领域的研究进展,希望可以为全息光镊在生物学中的应用研究提供一定的参考。