突破衍射极限的方法

为什么中红外波段如此重要？中红外辐射通常定义为波长处于2.5-25μm（尽管定义会发生变化）的电磁波，可用于检测，鉴定和成像分子，从而具有广泛的应用。

1、本文包含以下内容：1）应用：气体光谱（TDLAS）；环境监测；生物医学；纳米成像2）光源3）驱动器4）中红外探测器5）中红外光学器件6）有用工具的链接2、背景：分子由两个或多个原子通过化学键结合而成，分子除了转动运动外，分子内原子之间存在弯曲、伸缩、剪切、扭曲和摇摆等振动运动，因此分子可以以不同的激发态形式存在。

通过特定的官能团，所有这些能态都可用于识别各种材料。

为了探测这些能态，可以在振动光谱技术中使用红外光，例如近红外，拉曼和中红外。

由于中红外光与基频振动相互作用，因此提供了更强的光谱特性和更多的识别特征。

共价键的典型红外吸收位于600-4000cm-1。

（在光谱学中，通常以厘米的倒数，即波数来表示跃迁频率。

将该量乘以光速（c）得到频率，单位为赫兹；因此1 cm-1约为30 GHz）。

下图显示了各种类型的化学键通常吸收的光谱区域。

例如，如果在2200-2400 cm-1附近出现一条尖锐的吸收带，则表明可能存在C-N或C-C三键。

范围从500到1500cm-1的光谱区域被称为“指纹区域”或“光谱指纹”。

这是一个复杂的光谱区域，有大量重叠的谱带。

由于分子具有不同的官能团，因此可以使用中红外光谱识别分子并表征其结构。

由于混合物的中红外光谱是各组分的光谱叠加而成的，因此依照光谱特征可以测定混合物中各组分的含量。

3、应用：气体光谱可调二极管激光光谱技术（TDLAS）是一种非常强大的分析技术，可实现ppm甚至ppb 量级气体浓度的高选择性和高灵敏度测量。

它允许进行原位非接触式测量，这些测量具有高选择性和较低的成本。

常见气体这些气体常用于能源发电，石油和天然气行业，例如火力电厂氨气分析，天然气管道和乙烯生产中的质量控制，也用于有害气体的泄漏控制和过程优化。

光学衍射极限的突破纪岚森，仵云龙，李岷池，贺杰（青岛大学物理科学学院2011级材料物理1班）摘要：由于光学衍射极限的存在，使得在电子科技上边很难达到人们期望的高分辨率，然而光学衍射极限并不是不能克服的。

除了减小光波长与增加孔径外，我们还可以通过改变光路来突破艾里斑衍射极限。

减小艾里斑在很多的方面都有极其重要的意义，这里讲述的是艾里斑对显微镜技术突破的一些介绍。

关键词：艾里斑，显微镜，光学衍射极限1引言：在大量的电子图像应用领域，人们经常期望得到高分辨率（简称HR）图像。

高分辨率意味着图像中的像素密度高，能够提供更多的细节，而这些细节在许多实际应用中不可或缺。

例如，高分辨率医疗图像对于医生做出正确的诊断是非常有帮助的；使用高分辨率卫星图像就很容易从相似物中区别相似的对象；如果能够提供高分辨的图像，计算机视觉中的模式识别的性能就会大大提高。

同时随着生命科学的迅猛发展三维光学显微技术也已经成为研究生命过程的一种极为有效的工具，但是传统的基于荧光共焦技术的成像方案受到光学衍射极限的限制，其横向和纵向的数量级均在百纳米，因而无法满足科学技术发展的需要，利用各种非线性光学荧光激发方案已经打破光学极限的方案已经实现，然而这种光路较为复杂，通过其他的方法构造出来的奇异光线也是能够实现科学家长期最求的三维远场光学的超分辨成像。

根据瑞利衍射极限任意的光学系统成像就会在像方产生一个光斑，而这个光斑是无法通过改变显微镜的结构来实现的，也就是说，无论是共焦显微镜或是宽场显微镜这个光斑都是存在的，而这个光斑就是我们所说的爱里斑(Airy disc) 由于光的波动性，光通过小孔会发生衍射，明暗相间的条纹衍射图样，条纹间距随小孔尺寸的减少而变大。

大约有84%的光能量集中在中央亮斑，其余16%的光能量分布在各级明环上。

衍射图样的中心区域有最大的亮斑，称为爱里斑。

爱里斑的角度与波长(λ)及小孔的直径(d)满足关系：sinθ=1.22λ/d，θ即第一暗环的衍射方向角（即从中央亮斑的中心到第一暗环对透镜光心的张角），因为θ角一般都很小，有sinθ≈θ，故θ≈1.22λ/d。

衍射极限是指一个理想点物经光学系统成像，由于衍射的限制，不可能得到理想像点，而是得到一个夫朗和费衍射像。

因为一般光学系统的口径都是圆形，夫朗和费衍射像就是所谓的艾里斑。

这样每个物点的像就是一个弥散斑，两个弥散斑靠近后就不好区分，这样就限制了系统的分辨率，这个斑越大，分辨率越低。

这个限制是物理光学的限制，是光的衍射造成的。

这种衍射限制本质上来源于量子力学中的测不准关系限制。

对于给定频率的光子，当它在某个方向上的动量范围给定时，它的分辨率也就定了。

一般当一个艾里斑的中心和另一个艾里斑的边缘暗环刚好重合时，认为两个像斑刚好能够分辨（瑞利判据）。

这一现象用傅立叶分析理论可解释为：携带物体信息的入射光波的傅立叶分量中，较大的横向分量对应着高频成分，代表着物体的细节部分；但含高频横向分量的光波因满足2222x y k k w c +〉 (k x 、k y 为波矢量K 在x和y 方向分量，ω为光波角频率、c 为光速，传播方向为z 轴)而成为倏逝波，倏逝波在传播过程中因振幅呈指数衰减而无法到达像面，不能参与成像，造成物体细节部分的丢失，因而普通透镜的成像总是有缺陷的。

图1. 艾里斑图形（三维强度值和和平面图像）衍射极限公式是sinθ=1.22λ/D 。

其中θ是角分辨率，λ是波长，D 是光圈直径。

当θ很小时，sinθ约等于tanθ，约等于d/f ，其中d 是最小分辨尺寸，f 是焦距。

推导出d/f=1.22λ/D 。

显微镜的可分辨的最小线度为：δy=0.61λ/N.A.，其中N.A.为镜头的数值孔径。

目前，普通显微镜的分辨率一般为200nm 以上。

突破衍射极限：在物理概念上从只使用实数推广到使用虚数；从物理上讲，属于从传统中那样使用实光子辐射场推广到使用非辐射的虚光子场（不在光子质壳上的光子都是虚光子），前者就是传统中的光学成像，后者则属于近场成像。

产生电磁波的源都可以称为天线。

天线产生辐射远场和非辐射近场，前者包括我们通常看到的一束光，它在真空中传播，幅度不会衰减；后者则随空间距离迅速衰减，主要局域于天线附近，属于局域性的电磁波，或者附在材料表面附近的“表面波”。

衍射极限艾里斑分辨率-概述说明以及解释1.引言1.1 概述在概述部分，我们将介绍衍射极限艾里斑分辨率这一主题的背景和重要性。

衍射极限艾里斑分辨率是一种用于评估和描述光学系统分辨能力的指标。

光学系统的分辨能力是指其能够将空间中两个点状物体分辨为两个离散的点的能力。

衍射极限艾里斑分辨率的概念源于19世纪的衍射理论和光的波动性质。

根据衍射理论，当光束通过一个孔径较小的光学系统时，光的波动会导致光斑的扩散和干涉现象，从而限制了系统的分辨能力。

艾里斑分辨率是一种经典的衡量光学系统分辨能力的方法。

它是由物理学家Ernst Abbe于1873年提出的，并以他的名字命名。

艾里斑分辨率的计算基于光学系统的参数，包括光的波长和系统的数值孔径。

衍射极限艾里斑分辨率在科学研究和实际应用中具有重要意义。

在生物医学领域，它可以用于评估显微镜的分辨能力，进而实现对细胞和组织结构的高分辨率成像。

在光刻技术中，艾里斑分辨率的理论极限可以指导光刻机的设计和性能改进。

然而，衍射极限艾里斑分辨率也存在一定的局限性。

实际光学系统往往受到各种因素的限制，如光的衍射、散射、畸变等，这些因素会降低系统的实际分辨能力。

因此，进一步研究和改进光学系统，以提高其分辨能力成为未来发展的方向。

在接下来的文章中，我们将详细介绍衍射极限的定义和原理，以及艾里斑分辨率的概念和计算方法。

我们还将讨论衍射极限艾里斑分辨率在不同领域的应用，并探讨其存在的局限性和未来的发展方向。

通过对这一主题的全面了解，我们可以更好地理解光学系统的分辨能力，并为相关领域的进一步研究和应用提供指导。

1.2文章结构文章结构部分的内容可以是对整篇文章的组织和布局进行介绍。

可以提及文章的各个章节主题、内容概要以及各个章节之间的逻辑关系等。

以下是关于文章结构部分的一个示例：第2节正文部分是本文的核心内容，将详细介绍衍射极限和艾里斑分辨率的定义、原理和计算方法。

通过对衍射极限的研究和艾里斑分辨率的计算，我们可以更好地理解光学成像中的分辨率限制和相关原理。

光学显微镜有个分辨率的极限问题，大概是半个光学波长，比这个波长更小的物体，就分辨不出来了，比如使用400纳米的光，分辨率就是200纳米左右。

这个极 限大概19世纪就知道了，最近二十年才被打破，所以意义重大，所用的手段是纯粹的物理学，所以说今年的化学诺奖是物理学的胜利。

以前有双光子显微镜，可以稍微低于这个分辨率极限，但是实际上就在极限上工作。

所谓的超分辨率荧光显微镜，就是打破了这个分辨率的极限，比如还用400纳米的光，可以容易分辨200纳米以下的物体，甚至可以达到20纳米。

以前的显微镜总是用一束光，这束光是一根细丝，聚焦到一个很小的小点上，这个小点就是分辨率极限。

由于光的衍射效应，这个小点的大小受到光的波长的限制。

这也是自从人类发明光学显微镜以来，困扰了200多年的难题。

阎王爷先生的超 分辨荧光显微镜叫做STED, 基本原理是用两束光，实际上是两束激光，一束是正常的光聚焦到一个小点上，下图左边，这个就是衍射极限的最大分辨率；另一束激光变成中空的筒子一样，下图 中间；两束光聚焦到同一点上，由于第二束光把第一束光给灭了，只有中间那点没有灭掉，所以才能看到，这个更小的小点就是新的分辨率，打破了衍射极限，下图 右边。

这就是这个项目的重大意义所在。

这样，使用这样的光学显微镜就可以清楚看到更小的物体，比如纳米材料的形貌，更广泛的应用是在生物学领域，比如下图，等待生物学专业人士来科普。

顺便说一句，中国目前是否有这样的超分辨光学显微镜我还不清楚，北大的席锋那里可能有，质量和运性情况不知道，其他单位没有听说过。

比这个显微镜更低档一点是，双光子显微镜，所用的激光就是飞秒激光，国内估计总共有50台左右，价格每台300万到600万元，全部西方制造，只有五家公司：尼康，奥林巴斯，莱卡和蔡斯等。

更低一点档次的显微镜是激光显微镜，每台大概200万元，国内估计200台到300台之间，只有西方制造。

还有电子显微镜，分辨率可以达到0.1纳米或许更小，远远比这个超分辨的光学显微镜高，但是各有优缺点。

突破衍射极限的方法1.近场成像基本思路是利用高空间频率信号来获得清晰的物象。

由于需要非常接近样本，因而对于实际应用造成了很大的障碍。

1) superlensZhang X, Liu Z. Superlenses to overcome the diffraction limit.[J]. Nature Materials, 2008, 7(6):435-441.使用负折射率超材料（完美透镜）增强原子力显微镜/显微镜的分辨率。

将负折射率材料靠近目标物体，近场消逝波将被增强。

完美透镜的分辨率不取决于衍射极限，而是取决于放大率和多少消失模被存储2) hyperlensLu D, Liu Z. Hyperlenses and metalenses for far-field super-resolution imaging[J]. Nature Communications, 2012, 3(6):1205.3) microsphere assist imagingWang Z, Guo W, Li L, et al. Optical virtual imaging at 50 nm lateral resolution with a white-light nanoscope[J]. Nature Communications, 2011, 2(1):385-396.4) nearfield scanning optical microscopy2.远场成像可以做到远场高分辨，达到几十纳米的分辨率，通过选择性激活或者灭活荧光团但是这些成像技术仅适用于生物组织样本1)STEDStimulated emission depletion microscopy受激发射减损显微镜https:///wiki/STED_microscopy2) PALMphoto-activated localization microscopy光激活定位显微镜https:///wiki/Photoactivated_localization_microscopy3) STORM随机光学重构显微技术Stochastic optical reconstruction microscopyhttps:///wiki/Super-resolution_microscopy#Stochastic_optical_reconstruct ion_microscopy_.28STORM.293.SOLsuper-oscillatory lens超震荡透镜Berry M V. Exact nonparaxial transmission of subwavelength detail using superoscillations[J]. Journal of Physics A Mathematical & Theoretical, 2013,46(20):2140-2154.。