A new method of Monte Carlo simulation is developed to simulate the photon migration path in a scattering medium after an ultrashort-pulse laser beam comes into the medium. The most probable trajectory of photons at an instant can be obtained with this method. How the photon migration paths are affected by the optical parameters of the scattering medium is analyzed. It is also concluded that the absorption coefficient has no effect on the most probable trajectory of photons.

采用几何光学方法对共焦系统扫描时产生的扫描深度与厚度失真进行了理论分析,对名义扫描深度与实际扫描深度之间的关系进行了研究.以若丹明6G薄膜与玻片组成的多层样品为模型,对其进行了模拟计算,得到了扫描深度与厚度失真与系统数值孔径、折射率和样品厚度之间的关系.在实验上分别采用单光子荧光和双光子荧光作为检测信号,在反射式共焦扫描系统上进行了纵向扫描实验,并与模拟计算的结果进行了比较和分析.

提出了一种新思路来确定单分子的三维取向,在全内反射荧光显微成像的基础上,在显微镜的油镜上加一个水层,水和油的折射率不同造成光程差,产生离焦,利用全内反射产生隐失波激发了单分子的纵向分量,并在探测器前增加了一个分光镜,把光路分成偏振方向相互垂直的两束光,使得探测器上的光场分布包含单分子三维取向的信息。推导了隐失场激发的偶极矩光场在探测器上的光强分布表达式,通过分析偏振方向相互垂直的两束光在探测器上的不同的强度分布,来判断单分子偶极矩的三维取向。

三维取向是单分子的一个重要特性,单分子三维取向研究是近年来对单分子研究的又一热点。综述了基于远场扫描的三种探测方法,阐述了其基本原理,分析、比较了各种方法的优缺点,讨论了进行单分子三维取向检测所存在的困难和实际问题,展望了其广阔的应用领域及前景。

受激发射损耗荧光显微镜利用荧光饱和和激发态荧光受激损耗的非线性关系,通过限制损耗区域,可突破远场光学显微术的衍射极限分辨力并实现三维成像。基于对粒子速率方程组的修正,建立了描述荧光团各能级粒子数概率时间特性的模型,并定义了时间平均损耗效率判据。采用高斯函数模拟两束入射激光脉冲通过对模型的数值计算,模拟了激发脉冲的SIED激光脉冲的光强、脉冲宽度以及两束光的延迟时间等参量与损耗效率之间的关系,并获得了各参量的最佳值,优化了损耗效率,为提高系统分辨力提供了有效的途径。

远场光学显微镜受衍射极限分辨率的限制,而近场光学显微镜由于缺乏层析能力,则无法实现超分辨的三维成像。研究了既可突破远场光学显微术的衍射极限分辨率又可实现三维成像的成像技术——受激发射损耗(STED),综述了STED的分辨率与STED光的光强、延迟时间、光斑空间分布等主要参数的关系,以及该技术的最新进展和应用前景。

本文介绍了表面增强拉曼散射的基本原理及其在生命科学研究中的应用;综述了最近十年来利用表面增强拉曼散射进行单分子和活细胞检测的研究进展以及在活体检测中的应用;对表面增强拉曼光谱术在生命科学研究中的独特优势及发展前景进行了介绍。

光瞳滤波器作为实现超分辨的基本元件之一,它的设计以及制作都非常重要。设计了一种正弦变化的振幅型光瞳滤波器,可以通过调节少量的参量实现各种不同的超分辨模式。选择正弦函数的周期以及光瞳中心点透过率变化两个参量来实现对最终超分辨效果的调节。数值计算结果表明:在整个入射光瞳上的透过率瞳函数分布具有0.5～2个正弦振幅周期时,较为合适。小于0.5个周期将不会有任何超分辨效果,大于2个周期超分辨效果反而变差。数值计算中还注意到,当周期数为整数时,斯特雷尔比将保持0.25不变。对正弦变化振幅型光瞳滤波器的计算结果,显示了其特殊的性质,对实际中制作正弦变化振幅型光瞳滤波器有一定的指导作用。

从理论上详细计算了在全内反射的条件下,两束入射光产生的隐失干涉场(即隐失驻波)的强度分布,并分析了其不同于传统传播波干涉场的特点。同时使用数值模拟证明了利用隐失干涉场,即隐失驻波的激发方式,可以提高系统的分辨力,在横向实现超经典分辨的荧光成像。具体的分析表明,两束光以相等的角度入射,同时振幅相等,偏振态相同,所形成干涉条纹的反衬度最高,此时成像系统的有效点扩展函数最优化;入射介质1的折射率越大,隐失干涉场的空间周期越短(空间频率越高),其对应的调制点扩展函数中心瓣的半峰全宽越小,可能分辨更小的物体,但同时旁瓣的强度也增强,最终成像的分辨力受两者的共同制约。

提出了一种基于单轴晶体制作的相位型光瞳滤波器,与普通的相位型光瞳滤波器相比较,单轴晶体相位型光瞳滤波器不仅制作简单,而且相位差有一定的可调节性。与液晶制作的相位型光瞳滤波器相比较,虽然单轴晶体相位型光瞳滤波器的可调节性不如液晶相位型光瞳滤波器,但是单轴晶体相位型光瞳滤波器成本低,而且也不会对光的衰减过大。单轴晶体相位型光瞳滤波器可以实现对焦斑分布的连续调节。通过理论分析和数值计算,论证了单轴晶体相位型光瞳滤波器的可行性,并且具体设计了两区型的单轴晶体相位型光瞳滤波器。