基于强无序体系光场局域化及散射棱镜的远场超分辨成像机理研究

Realizing the sub-diffraction-limited optical imaging by strongly-scattering media is a new way for the so-called far-field superresolution imaging, and the highest resolution of 97 nm has been achieved recently. Such a novel technology has the potential applications in the fields of life science and ultra-precision manufacturing technology. Concerning the scientific problem in explaining the mechanism of the far-field superresolution imaging formed by the scattering lens, our proposal focuses on the transport properties of light and the transfer mechanism of evanescent waves for low-dimensional open-boundary strongly random media. We propose the random media composed of core-shell particles, which have low absorption and strongly scatterings. By optimizing the structure and material parameters of the core-shell particles, the random systems can be realized to have low absorption and strong localization approaching Anderson transition. The properties of scattering channels will be investigated experimentally to elucidate the relation between localized states and scattering channels. The mechanism of the transfer of waves from evanescent modes to propagation modes in the process of multiple scatterings within strong localization will be studied as well, to establish the theoretical knowledge of the superresolution imaging of scattering lens. We will develop a new quick-feedback algorithm,and provide a prototype of scattering lens based on the novel random media composed of core-shell particles. This project will enrich our knowledge and available technologies of superresolution imaging, and further reveal the transport properties of light within strongly random media.

利用强散射体实现突破衍射极限成像是近年出现的一项新型远场超分辨技术，目前在可见光波段下已实现最小分辨率为97nm，该技术在生命科学与光学制造领域具有重要应用前景。本课题围绕散射棱镜的远场超分辨成像形成机制难题，重点研究低维开放边界有限尺寸强散射体系中光的输运特性与倏逝波转化机制。提出采用核壳颗粒组成的低吸收强散射随机介质体系，通过优化颗粒结构与基质参数，从而使得体系的局域化程度逼近Anderson相变点。通过测定光通过散射体的散射通道性质，阐明局域态与散射通道间的关联机制。通过研究倏逝波模式与局域态的相互作用，揭示倏逝波在强局域化体系中的传播与发生多重散射时转变为传导波的机制，为建立散射棱镜超分辨技术机制奠定理论基础。在此基础上，研发新型快速反馈算法，实现基于核壳颗粒的新型散射棱镜超分辨成像技术原型机。本课题的实施将丰富超分辨成像的理论和技术手段，深入揭示光在强散射体中的输运特性。

利用强散射体实现突破超分辨成像是近年出现的新型成像技术，其成像机理尚未形成定论。本课题系统研究了随机体系中光输运特性及倏逝波与传导波的耦合机制。主要工作包括：.1.发展了针对核壳结构颗粒组成的随机体系的能量密度相干势近似（ECPA）方法。通过计算发现，光在核壳球体中将可形成不同于单介质散射球体中的新共振模式，新模式大幅降低光在此体系中的扩散，可形成有效光局域化。.2.采用滤随机矩阵方法研究边界效应，获取传输通道损失边界情形下随机体系输运性质的统计分布解析公式。求解了不同边界条件下随机体系中光输运在不同传输通道的具体分布，为波前编码控制传输通道奠定基础。.3.开发了迭代格林函数（RGF）算法程序。迭代格林函数方法可给出随机体系中的传输通道信息，为准一维与二维随机体系的光输运研究提供计算工具。.4.系统研究了准一维随机体系的光输运特性。计算了不同随机度时的本征模场分布，直观给出了通过增大样品无序度将扩散无序样品调节为局域化样品这一过程。对于固定长度随机样品，定义推广标度函数，用于唯一确定体系的输运状态。.5.系统研究了二维非均匀性无序度光波导中的随机通道行为。发现具有纵向非均匀无序度的体系可以等效成均匀无序度的体系，该等效性不适用于横向非均匀无序度体系。.6.定量化研究了随机体系中倏逝波模式与传导模式的耦合机制。发现当无序度增大时，倏逝模式耦合入无序区域本征传导通道的效率逐步增大。倏逝模式耦合效率和本征传导通道透射率共同作用导致了无序度增大时倏逝模式透射率先增大后减小的现象。.7.采用空间波调制器区域法进行波前编码，实现通过散射体的光聚焦。基于自适应光学方法，经过多次迭代后，实现了光聚焦。.经过本课题的研究，确定了散射棱镜突破衍射极限成像的机制为携带精细信息的高频倏逝成分转换为传导波模式，实现远场超分辨成像，明确了光在低维随机体系中的输运机制及边界效应，对发展散射棱镜技术起到奠定基础和推动作用。