Дифракционный предел: Дифракционный предел | это… Что такое Дифракционный предел?

Дифракционный предел | это… Что такое Дифракционный предел?

Дифракцио́нный преде́л — это минимальное значение размера пятна (Пятно рассеяния), которое можно получить, фокусируя электромагнитное излучение. Меньший размер пятна не позволяет получить явление дифракции электромагнитных волн.

Дифракционный предел был открыт в 1873 году Эрнстом Аббе.

Минимальный дифракционный предел определяется формулой d_min=λ/2n, где λ — длина электромагнитной волны в вакууме, n — показатель преломления среды. Иногда под дифракционным пределом понимается не линейный, а угловой размер, определяемый по формуле ψ_min=1,22*λ/D (критерий Рэлея^[1], предложен в 1879 году), где D — апертура оптического прибора.

Содержание 1 Значение дифракционного предела в оптике и технике 2 Методы уменьшения дифракционного предела 3 Преодоление дифракционного предела 4 Примечания 5 Ссылки

Значение дифракционного предела в оптике и технике

Дифракционный предел накладывает ограничения на характеристики оптических приборов:

• Оптический микроскоп не способен различать объекты, размер которых меньше значения λ/(2·n·sinθ), где θ — так называемый апертурный угол (у хороших микроскопов θ близок к 90°, и следовательно, предельное разрешение близко к дифракционному пределу λ/2n).
• При изготовлении микросхем методом фотолитографии минимальный размер каждого элемента микросхемы не может быть меньше дифракционного предела, что ограничивает совершенствование техпроцесса.
• Принцип действия оптического диска заключается в считывании информации сфокусированным лучом лазера, поэтому дифракционный предел накладывает ограничение на максимальную плотность информации.
• Разрешающая способность телескопа не может быть больше ψ_min (т.е. два точечных источника света, расположенные на угловом расстоянии меньше ψ_min, будут наблюдаться как один источник). Однако, разрешение земных оптических телескопов ограничивает не дифракционный предел, а атмосферные искажения (дифракционный предел самых больших телескопов составляет порядка 0.01 угловой секунды, но из-за атмосферных искажений реальное разрешение обычно не превышает 1 секунду). В то же время, разрешение радиотелескопов и радиоинтерферометров, а также космических телескопов, ограничивается именно дифракционным пределом.

Методы уменьшения дифракционного предела

• Дифракционный предел d_min пропорционален длине волны, следовательно, уменьшить его можно, используя более коротковолновое излучение. Например, использование фиолетового лазера (λ=406 нм) вместо красного (λ=650 нм) позволило увеличить емкость оптических дисков с 4,7 Гб (DVD) до 25 Гб (Blue Ray), переход на коротковолновые (ультрафиолетовые) лазеры позволяет постоянно совершенствовать технологические нормы производства микросхем, использование рентгеновского диапазона позволяет на порядки повысить разрешающую способность микроскопов (см. Рентгеновский микроскоп).
• Дифракционный предел обратно пропорционален показателю преломления среды. Поэтому, его можно значительно уменьшить, помещая объект в прозрачную среду с большим коэффициентом преломления. Это используется в оптической микроскопии (см. Иммерсия) и в фотолитографии (см. Иммерсионная литография).
• Угловой дифракционный предел ψ_min обратно пропорционален диаметру апертуры, поэтому повысить разрешение можно, увеличивая апертуру телескопа. Однако, на практике, разрешение больших телескопов лимитируется не дифракционным пределом, а атмосферными искажениями, а также дефектами геометрии зеркала (либо неравномерностью состава линзы для рефракторов) поэтому дифракционный предел имеет значения только для радиотелескопов и для космических оптических телескопов. В радиоастрономии повысить разрешение можно, применяя радиоинтерферометрию со сверхдлинными базами. Если два радиотелескопа работают в режиме радиоинтерферометра, то дифракционный предел будет определяться формулой ψ
  min=λ/L, где L — расстояние между радиотелескопами (так называемая база радиоинтерферометра). Например, космический радиотелескоп Радиоастрон (максимальная база 400 000 км) имеет разрешение от 8 до 540 микросекунд дуги в зависимости от длины волны, что на 2-5 порядков лучше, чем у лучших оптических телескопов.

Преодоление дифракционного предела

• Получить разрешение несколько лучшее, чем дифракционный предел можно с помощью суперлинз (пластинки, действующей как метаматериал)^[2].
• Преодолеть дифракционный предел позволяет ближнеполевая микроскопия (достигнуто разрешение 13 нм ^[3]).

Примечания

1. ↑ Дифракционный предел разрешения оптических инструментов | Весь курс физики
2. ↑ Пендри Дж., Смит Д. В поисках суперлинзы. Элементы.ру (2006). Архивировано из первоисточника 10 сентября 2012. Проверено 21 января 2012.
3. ↑ Астронет > Преодоление дифракционного предела в оптике

Ссылки

• Дифракционный предел
• М. Н. Либенсон Преодоление диффракционного предела в оптике. Соросовский образовательный журнал. Переплет.ру (2000). Архивировано из первоисточника 18 мая 2012. Проверено 21 января 2012.

Дифракционный предел разрешения оптических инструментов

Случай дифракции света с препятствием, имеющим открытую малую часть 1-й зоны Френеля, представляет особый интерес для практики. Дифракционная картина в данном случае m=R2Lλ≪1  или R2≪Lλ, наблюдается при больших расстояниях. Когда R=1 мм, λ=550 нм, тогда расстояние L будет более двух метров. Такие проведенные в далекую точку лучи считаются параллельными. Данный случай рассматривается как дифракция в параллельных лучах или дифракция Фраунгофера.

Дифракция Фраунгофера. Формулы

Определение 1

Главное условие дифракции Фраунгофера – это наличие зон Френеля, проходящих через точку волны, являющихся плоскими относительно друг друга.

При расположении собирающей линзы за препятствием прохождения лучей под углом θ они сходятся в некоторой точке плоскости. Это показано на рисунке 3.9.1. Отсюда следует, что любая точка в фокальной плоскости линзы эквивалентна бесконечно удаленной точке в отсутствии линзы.

Рисунок 3.9.1. Дифракция в параллельных лучах. Зеленая кривая – распределение интенсивности в фокальной плоскости (масштаб увеличен по оси ох).

Теперь доступна дифракционная картина Фраунгофера, располагаемая в фокальной плоскости линзы. Исходя из геометрической оптики, фокус должен иметь линзу с точечным изображением удаленного предмета. Изображение такого предмета размывается по причине наличия дифракции. Это и есть проявление волновой природы света.

Оптическая иллюзия не дает точечного изображения. Если дифракция Фраунгофера с круглым отверстием диаметра D имеет дифракционное изображение, состоящее из диска Эйри, то на него приходится около 85% энергии света с окружающими его светлыми и темными кольцами. Это показано на рисунке 3.9.2. Полученное пятно принимают за изображение точечного источника и рассматривают как дифракцию Фраунгофера на отверстии.

Определение 2

Для определения радиуса центрального пятна фокальной плоскости линзы используется формула r=1,22λDF.

Оправа линзы обладает свойством дифракции света, если лучи падают на нее, то есть выполняет роль экрана. Тогда D обозначается как диаметр линзы.

Рисунок 3.9.2. Дифракционное изображение точечного источника (дифракция на круглом отверстии). В центральное пятно попадает около 85% энергии света.

Дифракционные изображения имеют очень маленькие размеры. Центральное светлое пятно в фокальной плоскости с диаметром линзы D=5 см, фокусным расстоянием F=50 см, длиной волны в монохроматическом свете λ=500 нм имеет значение около 0,006 мм. Сильное искажение маскируется в фотоаппаратах, проекторах по причине несовершенной оптики. Только высокоточные астрономические приборы могут реализовать дифракционный предел качества изображений.

Дифракционное размытие двух близко расположенных точек может дать результат наблюдения за одной точкой. Когда астрономический телескоп настроен на наблюдение за двумя близкими звездами с угловым расстоянием ψ, то дефекты и аберрации устраняются, за счет этого фокальная плоскость объектива выдает дифракционные изображения звезд. Это рассматривается в качестве дифракционного предела объектива.

Рисунок 3.9.3. Дифракционные изображения двух близких звезд в фокальной плоскости объектива телескопа.

Вышеуказанный рисунок объясняет, что расстояние Δl между центрами дифракционных изображений звезд превышает значение радиуса r центрального светлого пятна. Данный случай позволяет воспринимать изображение раздельно, значит, есть возможность видеть одновременно две близко расположенные звезды.

Если уменьшить угловое расстояние ψ, тогда произойдет перекрывание, что не позволит видеть сразу две близкие звезды. В конце XIX века Дж. Релей предложил считать разрешение условно полным при расстоянии между центрами изображений Δl равно радиусу r Диска Эйри. Рисунок 3.9.4. подробно показывает данный процесс. Равенство Δl = r считают критерием решения Релея. Отсюда следует, что Δlmin=ψminċF=1,22λDF или ψmin=1,22λD.

Если телескоп имеет диаметр объектива D=1 м, тогда есть возможность разрешения двух звезд при нахождении на угловом расстоянии ψmin=6,7ċ10–7 рад (для λ=550 нм). Так как разрешающая способность не может быть более значения ψmin, то ограничение производится с помощью дифракционного предела космического телескопа, а по причине атмосферных искажений.

Рисунок 3.9.4. Предел решения по Релею. Красная кривая – распределение суммарной интенсивности света.

Начиная с 1990 года, космический телескоп Хаббла был выведен на орбиту с зеркалом, имеющим диаметр D=2,40 м. Предельным угловым разрешением телескопа на длине волны λ=550 нм считают значение ψmin=2,8ċ10–7 рад. Работа космического телескопа не зависит от атмосферных возмущений. Следует ввести величину R, которая обратная величине предельного угла ψmin_.

Определение 3

Иначе говоря, величина называется силой телескопа и записывается как R=1ψmin=D1,22λ.

Чтобы увеличить разрешающую способность телескопа, увеличивают размер объектива. Эти свойства применимы для глаз. Его работа аналогична телескопу. Диаметр зрачка dзр выступает в роли D. Отсюда предположим, что dзр=3 мм, λ=550 нм, тогда для предельного углового разрешения глаза принимаем формулу ψгл=1,22λdзр=2,3ċ10−4 рад=47»≈1′.

Результат оценивается с помощью разрешающей способности глаза, которая выполняется, учитывая размер светочувствительных элементов сетчатки. Делаем вывод: световой пучок с диаметром D и длиной волны λ, благодаря волновой природе света, испытывает дифракционное уширение. Угловая полуширина φ пучка относится к порядку λD, тогда запись полной ширины пучка d на расстоянии L примет вид d≈D+2λDL.

На рисунке 3.9.5. отчетливо видно, что при удалении от препятствия происходит трансформация пучка света.

Рисунок 3.9.5. Пучок света, расширяющийся вследствие дифракции. Область I – понятие луча света, законы геометрической оптики. Область II – зоны Френеля, пятно Пуассона. Область III – дифракция в параллельных лучах.

Изображение показывает угловое расхождение пучка и его уменьшение при увеличении поперечного размера D. Данное суждение относится к волнам любой физической природы. Отсюда следует, что для посыла узкого пучка на Луну предварительно нужно произвести его расширение, то есть применить телескоп. При направлении лазерного пучка в окуляр он проходит все расстояние внутри телескопа с диаметром D.

Рисунок 3. 9.6. Разрешение лазерного пучка с помощью телескопической системы.

Только при таких условиях пучок дойдет до поверхности Луны, а радиус пятна запишется как
R≈λDL, где L обозначается как расстояние до Луны. Принимаем значение D=2,5 м, λ=550 нм, L=4ċ106 м, получим R≈90 м. При направлении пучка с диаметром в 1 см его «засвет» на Луне был бы в виде пятна с радиусом в 250 раз больше.

Разрешающая способность микроскопа

Микроскоп служит для наблюдения близко расположенных объектов, поэтому разрешающая способность зависит от линейного расстояния между близкими точками. Расположение объекта должно быть вблизи переднего фокуса объектива. Существует специальная жидкость, которой заполняют пространство перед объективом, что наглядно показано на рисунке 3.9.7. Геометрически сопряженный объект, находящийся в этой же плоскости с его увеличенным изображением, рассматривается при помощи окуляра. Каждая точка размыта по причине дифракции света.

Рисунок 3.9.7.  Иммерсионная жидкость перед объективом микроскопа.

Определение 4

Предел разрешения объектива микроскопа был определен в 1874 г Г. Гельмгольцем. Такая формула записывается:

lmin=0,61λn·sin α.

Знак λ требуется для обозначения длины волны, n – для показателя преломления иммерсионной жидкости, α – для обозначения апертурного угла. Величину n·sin α называют числовой апертурой.

Качественные микроскопы имеют ампертурный угол α, который приближен к значению предела α ≈ π2. По формуле Гельмгольца наличие иммерсии позволяет улучшить предел разрешения. Предположим, что sin α ≈ 1, n ≈ 1,5, тогда lmin≈0,4 λ.

Отсюда следует, что микроскоп не дает полной возможности просмотра каких-либо деталей с размерами намного менее размера длины световой волны. Волновые свойства света влияют на предел качества изображения объекта, который получаем с помощью любой оптической системы.

Решение задач от 1 дня / от 150 р. Курсовая работа от 5 дней / от 1800 р. Реферат от 1 дня / от 700 р.

Какой дифракционный предел? | Nature Materials

• Опубликовано: Июнь 2008 г.

• Желудев Николай Иванович ¹  

Природные материалы том 7 , страницы 420–422 (2008 г.)Процитировать эту статью

• 5830 доступов

• 128 цитирований

• 6 Альтметрический

• Сведения о показателях

Несколько подходов способны преодолеть классический «дифракционный предел». В оптической области не только суперлинзы являются многообещающим выбором: такие концепции, как суперколебания, могут предоставить возможные альтернативы.

Исследования искусственных фотонных материалов, созданных в субволновом диапазоне длин волн, были стимулированы несколько лет назад интригующей возможностью разработать среды, преломляющие свет в направлении, противоположном нормальным средам, и поэтому получившие название «материалы с отрицательным показателем преломления». Термин «метаматериал» быстро стал широко использоваться для описания этого общего класса искусственных сред. Сегодня его значение охватывает не только материалы с отрицательным показателем преломления ^1,2 , но и искусственные среды со всевозможными необычными функциональными возможностями, которые могут быть достигнуты путем искусственного структурирования, меньшего, чем масштаб длины внешнего раздражителя (например, оптическая длина волны). Сюда входят метаматериалы с исключительно высоким ³ или ноль ⁴ показатели преломления и материалы с высокой проницаемостью, или «сверхпроводники» оптической частоты, которые отталкивают магнитное поле оптических волн так же, как обычные сверхпроводники отталкивают статические магнитные поля ⁵ . Было доказано, что метаматериалы демонстрируют сказочные свойства, такие как «невидимость» (как было представлено Гербертом Уэллсом в «Человек-невидимка» ) ^6,7 , способность «скрывать» объекты чудесным образом плаща Гарри Поттера ^8,9 , и загадочные свойства передачи, конкурирующие со свойствами зеркала Льюиса Кэрролла ¹⁰ . Они могут действовать как электромагнитные силовые щиты из научной фантастики, как недавно предложил Грэм Милтон, и в летающих «коврах-самолетах» с использованием квантовой левитации ¹¹ . Однако именно невероятное обещание оптической суперлинзы с отрицательным преломлением Веселаго-Пендри ¹² , способной разрешать особенности за пределами длины волны и, возможно, даже раскрывать структуру отдельных молекул, послужило толчком к мобилизации лучших исследовательских лабораторий. в мире для работы на стыке между «нано» и «мета» фотоникой.

Это предварительный просмотр содержимого подписки, доступ через ваше учреждение

Соответствующие статьи

Статьи открытого доступа со ссылками на эту статью.

• Нелинейная когенерация графеновых плазмонов для оптоэлектронных логических операций

  • Ивэй Ли
  • , Нин Ан
  •  … Байчэн Яо

  Связь с природой Открытый доступ 06 июня 2022 г.

• Передача суперколебаний

  • С. Зарковский
  • , Ю. Бен-Эзра
  •  и М. Шварц

  Научные отчеты Открытый доступ 03 апреля 2020 г.

• Резонансы Фано высокого порядка и гигантские магнитные поля в диэлектрических микросферах

  • Зенгбо Ван
  • , Борис Лукьянчук
  •  … Федянин Андрей Александрович

  Научные отчеты Открытый доступ 30 декабря 2019 г.

Варианты доступа

Подписаться на журнал

Получить полный доступ к журналу на 1 год

118,99 €

всего 9,92 € за выпуск

Подписаться

Расчет налога будет завершен во время оформления заказа.

Купить статью

Получите ограниченный по времени или полный доступ к статье на ReadCube.

32,00 $

Купить

Все цены указаны без учета стоимости.

Рис. 1. Фокусировка света с помощью массива наноотверстий.

© 2007 I0P

Ссылки

1. Веселаго В.Г. Сов. физ. Усп. 10 , 509–514 (1968).

   Артикул Google ученый

2. Smith, D.R. et al. Физ. Преподобный Летт. 84 , 4184–4187 (2000).

   Артикул КАС Google ученый

3. Riikonen, S., Romero, I. & García de Abajo, F. J. Phys. Ред. B 71 , 235104 (2005 г.).

   Артикул Google ученый

4. Alù, A., Silveirinha, M.G., Salandrino, A. & Engheta, N. Phys. Ревизия B 75 , 155410 (2007).

   Артикул Google ученый

5. Schwanecke, A.S. et al. J. Опт. А 9 , Л1–Л2 (2007 г.).

   Артикул Google ученый

6. Алу, А. и Энгета, Н. Phys. Ред. E 72 , 016623 (2005 г.).

   Артикул Google ученый

7. Федотов В.А., Младёнов П.Л. , Просвирнин С.Л., Желудев Н.И. Phys. Ред. E 72 , 056613 (2005 г.).

   Артикул КАС Google ученый

8. Leonhardt, U. Science 312 , 1777–1780 (2006).

   Артикул КАС Google ученый

9. Шуриг, Д. и др. Наука 314 , 977–980 (2006).

   Артикул КАС Google ученый

10. Федотов В.А. и др. Физ. Преподобный Летт. 97 , 167401 (2006 г.).

    Артикул КАС Google ученый

11. Leonhardt, U. & Philbin, T.G. New J. Phys. 9 , 254 (2007).

    Артикул Google ученый

12. Pendry, J. B. Phys. Преподобный Летт. 85 , 3966–3969 (2000).

    Артикул КАС Google ученый

13. Чао В., Хартенек Б.Д., Лиддл Дж.А., Андерсон Э.Х. и Эттвуд Д.Т. Nature 435 , 1210–1213 (2005).

    Артикул КАС Google ученый

14. Synge, E. H. Phil Mag. 6 , 356–362 (1928).

    Артикул КАС Google ученый

15. Zhang, X. & Liu, Z. Nature Mater. 7 , 435–441 (2008).

    Артикул КАС Google ученый

16. Blaikie, R. J. & Melville, D. O. S. J. Opt. А 7 , С176–С183 (2005 г.).

    Артикул КАС Google ученый

17. Фанг, Н. и др. Наука 308 , 534–537 (2005).

    Артикул КАС Google ученый

18. Toraldo di Francia, G. Доп. Нуово Сим. 9 , 426–438 (1952).

    Артикул Google ученый

19. Oseen, C.W. Annln Phys. (Лейпц.) 374 , 202–204 (1922).

    Артикул Google ученый

20. Schelkunoff, S. A. Bell Syst. Тех. J. 22 , 80–107 (1943).

    Артикул Google ученый

21. Bouwkamp, ​​C.J. & de Bruijn, N.G. Philips Res. Респ. 1 , 135–158 (1945/1946).

    Google ученый

22. Вудворд, П. М. и Лоусон, Д. Д. Дж. Инст. Избрать. англ. III 95 , 363–370 (1948).

    Google ученый

23. Берри, М. В. и Попеску, С. J. Phys. А 39 , 6965–6977 (2006 г. ).

    Артикул Google ученый

24. Феррейра, П. Дж. С. Г. и Кемпф, А. IEEE Trans. Сигнальный процесс. 54 , 3732–3740 (2006).

    Артикул Google ученый

25. Хуан Ф. М., Желудев Н., Чен Ю. и Гарсия де Абахо Ф. Дж. Заяв. физ. лат. 90 , 091119 (2007 г.).

    Артикул Google ученый

26. Хуан Ф. М., Чен Ю., Гарсия де Абахо Ф. Дж. и Желудев Н. И. Дж. Опт. A 9 , S285–S288 (2007 г.).

    Артикул Google ученый

Скачать ссылки

Благодарности

Я благодарю Надера Энгету, Фумина Хуанга, Марка Денниса, Кишана Дхолакию и Хавьера Гарсию де Абахо за обсуждения.

Информация об авторе

Авторы и организации

1. Николай И. Желудев работает в Исследовательском центре оптоэлектроники Саутгемптонского университета, Хайфилд, Саутгемптон SO17 1BJ, Великобритания. [email protected],

   Желудев Николай Иванович

Авторы

1. Желудев Николай Игоревич

   Просмотр публикаций автора

   Искать этого автора можно также в PubMed Google Scholar

Права и разрешения

Перепечатка и разрешения

Об этой статье

Эта статья цитируется

• Нелинейная когенерация графеновых плазмонов для оптоэлектронных логических операций

  • Ивэй Ли
  • Нин Ан
  • Байчэн Яо

  Nature Communications (2022)

• Технологии оптических суперколебаний за дифракционным пределом

  • Николай Иванович Желудев
  • Гуанхуэй Юань

  Nature Reviews Physics (2021)

• Передача суперколебаний

  • С. Зарковский
  • Ю. Бен-Эзра
  • М. Шварц

  Научные отчеты (2020)

• Эффективный метод создания суперколебаний с общим целевым поведением

  • Барбара Шода
  • Ахим Кемпф

  Квантовые исследования: математика и основы (2020)

• Суперколебания: от физики к оптическим приложениям

  • Ган Чен
  • Чжун-Цюань Вэнь
  • Чэн-Вэй Цю

  Свет: наука и приложения (2019)

За дифракционным пределом | Nature Photonics

За пределами дифракционного предела

Скачать PDF

Скачать PDF

• Опубликовано: Июль 2009 г.

Природа Фотоника том 3 , страница 361 (2009)Процитировать эту статью

• 29 тыс. обращений

• 28 цитирований

• 33 Альтметрический

• Сведения о показателях

Появление схем визуализации, способных преодолевать дифракционный барьер Аббе, произвело революцию в оптической микроскопии.

В 1873 году немецкий физик Эрнст Аббе понял, что разрешающая способность оптических приборов, включая телескопы и микроскопы, существенно ограничена дифракцией света. Его открытие показало, что, в конечном счете, разрешение прибора для формирования изображения ограничено не качеством прибора, а длиной волны используемого света и апертурой его оптики. Это означало, что микроскоп не мог разрешить два объекта, расположенных ближе, чем на λ /2NA, где λ — длина волны света, а NA — числовая апертура формирующего изображения объектива.

Это ограниченное дифракцией явление препятствовало работе оптической микроскопии более века и считалось фундаментальным нерушимым правилом. Однако в последнее время появилось несколько новых захватывающих подходов к визуализации, которые могут «нарушить» это правило при определенных обстоятельствах. Теперь кажется, что нет никаких фундаментальных ограничений в достижении пространственного разрешения; используя видимый свет, с этими подходами можно разрешить до нескольких нанометров.

Чтобы отпраздновать эти события, в этом выпуске основное внимание уделяется методам визуализации со сверхвысоким разрешением, которые работают за пределами дифракционного предела. Можно найти сборник статей о различных методах визуализации — от флуоресценции в дальней зоне до плазмоники. Сборник состоит из обзорной статьи, промежуточной статьи, двух комментариев и интервью.

Авторы и права: XIAOWEI ZHUANG/HARVARD UNIVERSITY

В интервью на стр. 368 У. Э. Мёрнер подчеркивает некоторые невероятные преимущества визуализации, когда она не ограничена дифракцией ¹ . Такие методы не только позволяют неинвазивно исследовать внутреннюю часть биологических клеток, но и обещают нановизуализацию полупроводниковых устройств в электронной промышленности. Мёрнер элегантно обобщает преимущества и недостатки различных подходов к визуализации с ограничением субдифракции, разработанных на сегодняшний день, а также обсуждает будущие перспективы таких методов.

Читая эти статьи, вы обнаружите, что техники можно разделить на несколько групп. Во-первых, существуют подходы для ближнего и дальнего поля: первые работают близко к образцу, часто собирая исчезающие сигналы, которые быстро затухают, но содержат дополнительную информацию о образце, тогда как вторые собирают оптические сигналы (обычно флуоресценцию) на обычном рабочем расстоянии. . Затем методы визуализации на основе флуоресценции можно разделить на отдельные категории в зависимости от того, как они рассматривают природу образца — либо как набор отдельных молекулярных меток, либо как флуорофор с постоянно меняющейся плотностью. Методы, включающие переключение оптических сигналов, также можно разделить на категории по тому, как они обеспечивают разделение сигналов — либо за счет целенаправленного переключения сигналов, либо за счет стохастического переключения одной молекулы.

Подход, который, несомненно, вызвал большой интерес в сообществе специалистов по визуализации в дальнем поле, — это микроскопия истощения стимулированного излучения, впервые предложенная Стефаном Хеллом. На странице 381 Хелл и его коллеги рассматривают недавний прогресс в трехмерной визуализации прозрачных флуоресцентных объектов с использованием наноскопии дальнего поля ² . Они объясняют, как две противоположные линзы в сочетании с включением и выключением флуоресценции между соседними маркерами могут преодолевать дифракционный барьер. Хотя приведенными примерами являются микроскопия истощения стимулированного излучения и микроскопия локализации фотоактивации, авторы ожидают, что схемы с двумя линзами могут быть применены к другим подходам и, в конечном итоге, станут центральными для трехмерной оптической визуализации в дальней зоне на наноуровне.

В биологии стохастическая оптическая реконструктивная микроскопия — метод, использующий обнаружение отдельных молекул и фотопереключаемые зонды для получения флуоресцентных изображений с высоким разрешением — теперь позволяет визуализировать внутреннюю часть клетки с беспрецедентным уровнем детализации. На странице 365 Xiaowei Zhuang объясняет, как с помощью этого подхода можно достичь пространственного разрешения в несколько десятков нанометров ³ . Она также описывает, как многоцветная трехмерная стохастическая оптическая реконструкционная микроскопия может быть эффективно использована для визуализации молекулярных структур в клетках.

На странице 362 Райнер Хайнцманн и Матс Густафссон более широко рассматривают проблему субдифракционного изображения и обсуждают, что необходимо для того, чтобы это стало возможным. Они объясняют, почему использование пространственно-неоднородного освещения и образца с нелинейным фотооткликом являются единственными двумя фундаментальными требованиями для визуализации сверхвысокого разрешения пространственно непрерывного распределения флуоресценции ⁴ .

Помимо флуоресценции, поверхностные плазмоны (которые либо возбуждаются на металлической поверхности, либо локализуются в небольшом металлическом кончике) также обеспечивают метод преодоления дифракционного предела света. В обзорной статье Сатоши Каваты и его коллег на странице 388 комментируется потенциал плазмоники для улучшения изображений 9. 0010 5 .

Как объясняет Мёрнер в интервью, все эти различные подходы к изображению за пределами «дифракционного предела» дополняют друг друга. Ясно одно: достижения в области визуализации сверхвысокого разрешения сокращают разрыв между оптической микроскопией и схемами визуализации сверхвысокого разрешения (такими как рентгеновская или электронная микроскопия), которые основаны на гораздо более коротких длинах волн, чем видимый свет. Появление оптических микроскопов сверхвысокого разрешения позволит наблюдать за миром вокруг нас с новым уровнем ясности. Это почти наверняка приведет к созданию очень захватывающей новой науки, особенно в области биологии, но не ограничиваясь ею.

Ссылки

1. Вон Р. Фотон природы. 3 , 368–369 (2009).

   Артикул Google ученый

2. Хелл, С. В., Шмидт, Р. и Эгнер, А. Фотон природы. 3 , 381–387 (2009).

   Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый

3. Zhuang, X. Фотон природы. 3 , 365–367 (2009 г.)).

   Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый

4. Хайнцманн Р. и Густафссон М.Г.Л. Фотон природы. 3 , 362–364 (2009).

   Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый

5. Кавата С., Иноуэ Ю. и Верма П. Фотон природы. 3 , 388–394 (2009).

   Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый

Ссылки на скачивание

Права и разрешения

Перепечатка и разрешения

Об этой статье

Интеллектуальная квантовая статистическая визуализация за пределами критерия Аббе-Рэлея

• Нараян Бхусал
• Мингюань Хун
• Омар С. Маганья-Лоайса

npj Квантовая информация (2022)

• Характеристика проводящих тонких пленок ZnO, легированных алюминием, для плазмонных применений

  • Ф. Ф. Масулех
  • И. Синно
  • К. П. Мур

  Прикладная физика А (2018)

• Белок, ингибирующий апоптоз нейронов (NAIP), локализуется в цитокинетическом механизме во время клеточного деления.

  
  Дифракционный предел: Дифракционный предел | это… Что такое Дифракционный предел?