基于光纤矢量衍射远场的超分辨紧聚焦特性研究：模式选择对STED成像系统性能的优化

《Optical Fiber Technology》：Super-resolution focusing performance of different modes in optical fiber based on vector diffraction far-field

本文基于远场衍射和Richards-Wolf矢量衍射理论，建立了光纤产生STED（受激发射损耗）光束的超分辨紧聚焦理论模型。系统研究了不同光纤模式（如TE01模和拓扑荷数l=±1的OAM（轨道角动量）模）的紧聚焦特性，揭示了模式选择对STED成像系统分辨率的影响。研究表明，低阶矢量模式可产生高质量环形损耗光斑，其中TE01模径向光强半高宽（FWHM）约440 nm，系统分辨率可达54 nm，为构建基于光纤器件的超分辨成像系统提供了重要理论指导。

　　

Highlight

Theory

B. Richards和E. Wolf于1959年基于标量的Debye积分推导出了矢量衍射理论[14,15]，其示意图如图1所示。一束平行入射的矢量光束通过透镜会聚到焦点，透镜后的波前被视为一个以焦点为球心的球面波。从球面上各点到焦点的方向为光线前进方向，偏振状态...

System

在这项工作中，基于远场和Richards-Wolf矢量衍射理论，建立了一个通过光纤产生STED光束的超分辨紧聚焦理论模型。具体而言，STED光束从光纤端面出射，经过自由空间衍射，随后被高数值孔径（NA）物镜聚焦到焦平面上。本系统采用的阶跃折射率光纤，其纤芯半径为4 μm，包层半径为62.5 μm，具有...

Conclusion

通过比较基于超分辨紧聚焦理论模型的不同模式的聚焦场分布，本工作证明低阶矢量模式，包括TE₀₁模和拓扑荷数l为±1的OAM（轨道角动量）模式，显示出更优的环形光束特性。对于径向偏振的TE₀₁模，经高NA物镜聚焦后，其径向光强的半高宽（FWHM）值相对较小，约为440 nm。其...