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超衍射极限相干反斯托克斯拉曼散射显微成像技术及其探测极限分析

刘伟 陈丹妮 刘双龙 牛憨笨

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超衍射极限相干反斯托克斯拉曼散射显微成像技术及其探测极限分析

刘伟, 陈丹妮, 刘双龙, 牛憨笨

Diffraction barrier breakthrough in coherent anti-Stokes Raman scattering microscopy and detection limitanalysis

Liu Wei, Chen Dan-Ni, Liu Shuang-Long, Niu Han-Ben
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  • 理论上提出一种突破衍射极限限制的相干反斯托克斯拉曼散射显微成像方法, 并对其探测极限进行分析.通过引入环形附加探测光与艾里斑周边的声子作用, 实现点扩展函数的改造, 提高相干反斯托克斯拉曼散射显微成像系统的横向空间分辨率. 随着分辨率的提高, 信号强度也随之降低, 尤其当应用于生物学、医学研究时, 样品分子数密度通常很低, 这将导致信号探测更加困难. 因此分析系统的探测极限, 确定超分辨体积元内的最小可探测分子数是展开超衍射极限相干反斯 托克斯拉曼散射显微成像实验研究的重要前提. 当泵浦光、斯托克斯光、探测光光强均达到极大值, 分辨率约40 nm三维空间内, 超衍射极限相干反斯托克斯拉曼散射显微成像系统的散粒噪声信噪比由曝 光时间与样品分子数密度决定. 曝光时间若取20 ms, 探测极限约为103, 样品分子数目只有大于探测极限, 才能保证信号可以从噪声背景中提取出来.
    We provide an approach to breaking the diffraction limit in coherent anti-Stokes Raman scattering (CARS) microscopy and report a theoretical analysis of detection limit (DL) forit. The additional probe beam, whose profile is doughnut shaped and wavelength is different from the size of Gaussian probe beam, interacts with the coherent phonons at the rim of the diffraction-limited spot to increase theresolution by re-engineering the point spreadfunction of the system. The signal strength reduces with the size of focal volume decreasing, besides, when CARS is used in biology, the molecules of interest are usually in low concentration, which makes the signal detection more difficult. Accordingly, a remaining crucial problem is whether the reduced signal generated in the suppressed focal volume can be detected from the noise background and the analysis of DL, so it is an important precise in implementation of CARS nanoscopy. We describe T-CARS process with full quantum theory and estimate the extreme power density levels of the pump and Stokes beams determined by saturation behavior of coherent phonons. When the pump and Stokes intensities reach such extreme values and total intensity of the excitation beams arrives at a maximum tolerable by most biological samples in acertain suppressed focal volume, the DL of T-CARS nanoscopy correspondingly varies with the exposure time. For an attainable spatial resolution of ~40 nm in three dimension and areasonable exposure time of 20 ms, the DL in the suppressed focal volume is approximately ~103. The signal can be well detected from the noise fluctuation only if the number of molecules of interest exceeds this limit.
    • 基金项目: 国家重点基础研究发展计划(批准号: 2012CB825802);国家自然科学基金(批准号: 61235012, 61178080, 11004136, 60878053);国家重大科学仪器设备开发专项(批准号: 2012YQ15009203)和深圳市科技计划(批准号: JCYJ20120613173049560, GJHS20120621155433884)资助的课题.
    • Funds: Project supported by the National Basic Research Program of China (Grant No. 2012CB825802), the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 61235012, 61178080, 11004136, 60878053), the Special Funds of the Major Scientific Instruments Equipment Development of China (Grant No. 2012YQ15009203), and the Science and Technology Planning Project of Shenzhen, China (Grant Nos. JCYJ20120613173049560, GJHS20120621155433884).
    [1]

    Evans C L, Xie X S 2008 Annu. Rev. Anal. Chem. 1 883

    [2]

    Hajek K M, Littleton B, Turk D, Mcintyre T J, Rubinsztein-Dunlop H 2010 Opt. Express 18 19263

    [3]

    Betzig E, Patterson G H, Sougrat R, Lindwasser O W, Olenych S, Bonifacino J S, Davidson M W, Lippincott-Schwartz J, Hess H F 2006 Science 313 1642

    [4]

    Hell S W, Wichmann J 1994 Opt. Lett. 19 780

    [5]

    Chen D N, Liu L, Yu B, Niu H B 2010 Acta Phys. Sin. 59 6954 (in Chinese) [陈丹妮, 刘磊, 于斌, 牛憨笨 2010 物理学报 59 6954]

    [6]

    Beeker W P, Groß P, Lee C J, Cleff C, Offerhaus H L, Fallnich C, Herek J L, Boller K 2009 Opt. Express 17 22632

    [7]

    Nikolaenko A, Krishnamachari V V, Potma E O 2009 Phys. Rev. A 79 13823

    [8]

    Hajek K M, Littleton B, Turk D, McIntyre T J, Rubinsztein-Dunlop H 2010 Opt. Express 18 19263

    [9]

    Nan X, Cheng J X, Xie X S 2003 J. Lipid Res. 44 2202

    [10]

    Liu W, Niu H B 2011 Phys. Rev. A 83 23830

    [11]

    Vallèe F, Bogani F 1991 Phys. Rev. B 43 12049

    [12]

    Loudon R 1983 The Quantum Ttheory of Light (Oxford: Clarendon Press)

    [13]

    El-Diasty F 2011 Vib. Spectrosc. 55 1

    [14]

    Portnov A, Rosenwaks S, Bar I 2008 Appl. Phys. Lett. 93 41115

    [15]

    Begley R F, Harvey A B, Byer R L 1974 Appl. Phys. Lett. 25 387

    [16]

    Cui M, Bachler B R, Ogilvie J P 2009 Opt. Lett. 34 773

    [17]

    König K 2001 J. Microsc. 200 83

  • [1]

    Evans C L, Xie X S 2008 Annu. Rev. Anal. Chem. 1 883

    [2]

    Hajek K M, Littleton B, Turk D, Mcintyre T J, Rubinsztein-Dunlop H 2010 Opt. Express 18 19263

    [3]

    Betzig E, Patterson G H, Sougrat R, Lindwasser O W, Olenych S, Bonifacino J S, Davidson M W, Lippincott-Schwartz J, Hess H F 2006 Science 313 1642

    [4]

    Hell S W, Wichmann J 1994 Opt. Lett. 19 780

    [5]

    Chen D N, Liu L, Yu B, Niu H B 2010 Acta Phys. Sin. 59 6954 (in Chinese) [陈丹妮, 刘磊, 于斌, 牛憨笨 2010 物理学报 59 6954]

    [6]

    Beeker W P, Groß P, Lee C J, Cleff C, Offerhaus H L, Fallnich C, Herek J L, Boller K 2009 Opt. Express 17 22632

    [7]

    Nikolaenko A, Krishnamachari V V, Potma E O 2009 Phys. Rev. A 79 13823

    [8]

    Hajek K M, Littleton B, Turk D, McIntyre T J, Rubinsztein-Dunlop H 2010 Opt. Express 18 19263

    [9]

    Nan X, Cheng J X, Xie X S 2003 J. Lipid Res. 44 2202

    [10]

    Liu W, Niu H B 2011 Phys. Rev. A 83 23830

    [11]

    Vallèe F, Bogani F 1991 Phys. Rev. B 43 12049

    [12]

    Loudon R 1983 The Quantum Ttheory of Light (Oxford: Clarendon Press)

    [13]

    El-Diasty F 2011 Vib. Spectrosc. 55 1

    [14]

    Portnov A, Rosenwaks S, Bar I 2008 Appl. Phys. Lett. 93 41115

    [15]

    Begley R F, Harvey A B, Byer R L 1974 Appl. Phys. Lett. 25 387

    [16]

    Cui M, Bachler B R, Ogilvie J P 2009 Opt. Lett. 34 773

    [17]

    König K 2001 J. Microsc. 200 83

  • [1] 黄文艺, 杨保东, 樊健, 王军民, 周海涛. 基于铯原子气室反抽运光增强相干蓝光. 物理学报, 2022, 71(18): 187801. doi: 10.7498/aps.71.20220480
    [2] 李海鹏, 周佳升, 吉炜, 杨自强, 丁慧敏, 张子韬, 沈晓鹏, 韩奎. 边界对石墨烯量子点非线性光学性质的影响. 物理学报, 2021, 70(5): 057801. doi: 10.7498/aps.70.20201643
    [3] 刘鹏翔, 李伟, 郭丽媛, 祁峰, 庞子博, 李惟帆, 汪业龙, 刘朝阳. 基于有机吡啶盐晶体的太赫兹频率上转换探测. 物理学报, 2021, 70(5): 050701. doi: 10.7498/aps.70.20201908
    [4] 田子阳, 赵会杰, 尉昊赟, 李岩. 基于混合飞秒/皮秒相干反斯托克斯拉曼散射的动态高温燃烧场温度测量. 物理学报, 2021, 70(21): 214203. doi: 10.7498/aps.70.20211144
    [5] 白瑞雪, 杨珏晗, 魏大海, 魏钟鸣. 低维半导体材料在非线性光学领域的研究进展. 物理学报, 2020, 69(18): 184211. doi: 10.7498/aps.69.20200206
    [6] 关佳, 顾翊晟, 朱成杰, 羊亚平. 利用相干制备的三能级原子介质实现低噪声弱光相位操控. 物理学报, 2017, 66(2): 024205. doi: 10.7498/aps.66.024205
    [7] 邓俊鸿, 李贵新. 非线性光学超构表面. 物理学报, 2017, 66(14): 147803. doi: 10.7498/aps.66.147803
    [8] 侯国辉, 罗腾, 陈秉灵, 刘杰, 林子扬, 陈丹妮, 屈军乐. 双光子荧光与相干反斯托克斯拉曼散射显微成像技术的实验研究. 物理学报, 2017, 66(10): 104204. doi: 10.7498/aps.66.104204
    [9] 刘双龙, 刘伟, 陈丹妮, 屈军乐, 牛憨笨. 相干反斯托克斯拉曼散射显微成像技术研究. 物理学报, 2016, 65(6): 064204. doi: 10.7498/aps.65.064204
    [10] 张赛文, 陈丹妮, 刘双龙, 刘伟, 牛憨笨. 纳米分辨相干反斯托克斯拉曼散射显微成像. 物理学报, 2015, 64(22): 223301. doi: 10.7498/aps.64.223301
    [11] 张龙, 韩海年, 侯磊, 于子蛟, 朱政, 贾玉磊, 魏志义. 基于光子晶体光纤和拉锥式单模光纤的超连续光谱产生的实验研究. 物理学报, 2014, 63(19): 194208. doi: 10.7498/aps.63.194208
    [12] 李亚晖, 梁闰富, 邱俊鹏, 林子扬, 屈军乐, 刘立新, 尹君, 牛憨笨. 紧聚焦条件下相干反斯托克斯拉曼散射信号场的矢量分析. 物理学报, 2014, 63(23): 233301. doi: 10.7498/aps.63.233301
    [13] 尹君, 余锋, 侯国辉, 梁闰富, 田宇亮, 林子扬, 牛憨笨. 多色宽带相干反斯托克斯拉曼散射过程的理论与实验研究. 物理学报, 2014, 63(7): 073301. doi: 10.7498/aps.63.073301
    [14] 刘双龙, 刘伟, 陈丹妮, 牛憨笨. 超衍射极限相干反斯托克斯拉曼散射显微成像技术中空心光束的形成. 物理学报, 2014, 63(21): 214601. doi: 10.7498/aps.63.214601
    [15] 吉选芒, 姜其畅, 刘劲松. 光折变非相干耦合空间孤子族统一理论. 物理学报, 2012, 61(7): 074205. doi: 10.7498/aps.61.074205
    [16] 吉选芒, 姜其畅, 刘劲松. 含分压电阻的非相干耦合光折变屏蔽光伏空间孤子对. 物理学报, 2010, 59(7): 4701-4706. doi: 10.7498/aps.59.4701
    [17] 于凌尧, 尹君, 万辉, 刘星, 屈军乐, 牛憨笨, 林子扬. 基于超连续光谱激发的时间分辨相干反斯托克斯拉曼散射方法与实验研究. 物理学报, 2010, 59(8): 5406-5411. doi: 10.7498/aps.59.5406
    [18] 严祥安, 宋建平, 尹宝银, 蒋文娟, 郑淮斌, 张彦鹏. 自发产生相干对探测场的色散和吸收影响. 物理学报, 2008, 57(6): 3538-3542. doi: 10.7498/aps.57.3538
    [19] 龚华平, 吕志伟, 林殿阳, 刘松江. 非聚焦条件下CS2介质中受激布里渊散射光限幅特性的研究. 物理学报, 2007, 56(9): 5263-5268. doi: 10.7498/aps.56.5263
    [20] 梁小蕊, 赵 波, 周志华. 几种香豆素衍生物分子的二阶非线性光学性质的从头算研究. 物理学报, 2006, 55(2): 723-728. doi: 10.7498/aps.55.723
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出版历程
  • 收稿日期:  2013-03-27
  • 修回日期:  2013-04-17
  • 刊出日期:  2013-08-05

超衍射极限相干反斯托克斯拉曼散射显微成像技术及其探测极限分析

  • 1. 深圳大学光电工程学院, 光电子器件与系统(教育部/广东省)重点实验室, 深圳 518060;
  • 2. 天津大学精密仪器与光电子工程学院, 天津 300072
    基金项目: 国家重点基础研究发展计划(批准号: 2012CB825802);国家自然科学基金(批准号: 61235012, 61178080, 11004136, 60878053);国家重大科学仪器设备开发专项(批准号: 2012YQ15009203)和深圳市科技计划(批准号: JCYJ20120613173049560, GJHS20120621155433884)资助的课题.

摘要: 理论上提出一种突破衍射极限限制的相干反斯托克斯拉曼散射显微成像方法, 并对其探测极限进行分析.通过引入环形附加探测光与艾里斑周边的声子作用, 实现点扩展函数的改造, 提高相干反斯托克斯拉曼散射显微成像系统的横向空间分辨率. 随着分辨率的提高, 信号强度也随之降低, 尤其当应用于生物学、医学研究时, 样品分子数密度通常很低, 这将导致信号探测更加困难. 因此分析系统的探测极限, 确定超分辨体积元内的最小可探测分子数是展开超衍射极限相干反斯 托克斯拉曼散射显微成像实验研究的重要前提. 当泵浦光、斯托克斯光、探测光光强均达到极大值, 分辨率约40 nm三维空间内, 超衍射极限相干反斯托克斯拉曼散射显微成像系统的散粒噪声信噪比由曝 光时间与样品分子数密度决定. 曝光时间若取20 ms, 探测极限约为103, 样品分子数目只有大于探测极限, 才能保证信号可以从噪声背景中提取出来.

English Abstract

参考文献 (17)

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