基于光涡旋的全光纤超分辨成像器件的新机理与新技术研究

Optical vortex beams, carrying orbital angular momentum, have unique properties such as helical phase and donut intensity distribution that have been widely used in applications ranging from optical trapping, sensing, measurement, communications and quantum entanglement. In stimulated emission depletion (STED) microscopy system, optical vortex can be used as effective point spread function in emission depletion system for super-resolution imaging. In the proposed project, an all-fiber compact microscopy device will be investigated for micro-size Endoscopy by exploring new properties of optical vortex, specialty optical fiber devices and super-resolution imaging technique. The research works start from two key scientific issues: why do we investigate all-fiber super-resolution imaging and how can we demonstrate all-fiber super-resolution imaging based on optical vortex. Firstly, starting from fundamental theories and properties of optical vortex all-optical super-resolution imaging. Secondly, shifting to mechanisms, techniques and devices of STED all-optical super-resolution imaging. Thirdly, we will design and fabricate novel fiber lenses for STED super-resolution imaging. Finally, the performance of all-fiber STED devices will be thoroughly evaluated.

光涡旋，因为具有独特的螺旋相位、环形光强且携带轨道角动量，已被广泛应用于光学捕获、传感测量、通信、量子纠缠等多个领域。在受激发射损耗(STED)成像统中可以利用光涡旋作为损耗光压缩系统有效点扩散函数，实现超分辨成像。本项目通过探索研究光涡旋、特种光纤及器件、超分辨成像的交叉领域，旨在构建基于全光纤链路的适用于微小尺度内窥STED超分辨成像器件。项目围绕“为什么要/能研究全光纤超分辨成像器件？”，“如何实现基于光涡旋的全光纤超分辨成像器件？”两个关键问题展开，以新机理、新特性、新技术、新器件及新应用为驱动：首先研究基于光涡旋的全光纤STED超分辨成像的基础理论与特性，其次，研究STED超分辨成像光涡旋损耗光的全光纤产生与调控研究技术; 然后，研究用于STED超分辨成像的新型光纤透镜；最后，对全光纤STED超分辨成像器件性能进行全面表征与测试。

光涡旋，因为具有独特的螺旋相位、环形光强且携带轨道角动量，已被广泛应用于光学捕获、传感测量、通信、量子纠缠等多个领域。在受激发射损耗(STED)成像统中可以利用光涡旋作为损耗光压缩系统有效点扩散函数，实现超分辨成像。传统自由空间STED系统多存在系统复杂、对准困难、成本昂贵等问题。光纤STED 系统中，激发光与光涡旋损耗光，在同一根光纤中传输，激发光与损耗光是自然对准的，因此不需要额外的严格对准过程，有望提升系统稳定性，并降低成本。此外，由于光纤具有尺寸小、易弯折的特性，光纤STED 还可以用来实现活体内窥成像，深入亚细胞结构内部进行超分辨观测，因此研究光纤STED 具有十分重要的科学意义和应用前景。本项目通过探索研究光涡旋、特种光纤及器件、超分辨成像的交叉领域，旨在构建基于全光纤链路的适用于微小尺度内窥STED超分辨成像器件。首先研究基于光涡旋的全光纤STED超分辨成像的基础理论与特性，其次，研究STED超分辨成像光涡旋损耗光的全光纤产生与调控研究技术; 然后，研究用于STED超分辨成像的新型光纤透镜；最后，对全光纤STED超分辨成像器件性能进行全面表征与测试。本项目实现了基于光纤非对称耦合的光纤型宽带光涡旋转换器，可用于光纤STED的定向耦合型光涡旋转换器。通过在涡旋光纤端面黏贴高折射率微球，制作了可用于STED成像以及光学扳手的微球型光纤微透镜。最终通过整合多个光纤器件，构造了全光纤STED成像系统。在不采用STED技术时，光纤微球透镜的聚焦光斑的点扩散函数（PSF）的半高全宽微2.2um，采用STED技术后，有效PSF为0.28um，分辨率提高了7.5倍。本项目提出的全光纤STED系统在生物活体内窥成像，小体积、低重量、低成本高分辨成像等场景都有着广泛的应用价值。