CN103105511A

CN103105511A - 表面等离子体纵向场扫描近场光学显微镜装置及检测方法

Info

Publication number: CN103105511A
Application number: CN2012105959203A
Authority: CN
Inventors: 袁小聪; 杜路平; 沈军峰; 朱思伟; 闵长俊; 方晖
Original assignee: Nankai University
Current assignee: Nankai University
Priority date: 2012-12-28
Filing date: 2012-12-28
Publication date: 2013-05-15
Anticipated expiration: 2032-12-28
Also published as: CN103105511B

Abstract

本发明提供一种表面等离子体纵向场扫描近场光学显微镜装置及检测方法；其具有表面等离子体激发单元(1)入射光经高数值孔径物镜(6)聚焦后会在金属膜和空气界面激发SPPs，其相互干涉在焦点附近形成SPPs的驻波场；扫描控制单元(2)利用AFM控制器(4)可实现对AFM金属探针(5)的三维扫描和定位；检测单元(3)实现表面等离子体场的纵向场分量三维测量和分析。

Description

表面等离子体纵向场扫描近场光学显微镜装置及检测方法

技术领域

本发明属于近场光学探测的光学传感和成像技术领域，特别涉及一种表面等离子体纵向场的检测方法和装置。

背景技术

现有技术中，在近场条件下物体小于衍射极限的精细结构和起伏信息与束缚在物体表面的非辐射场密切相关，一方面，处于近场区域的非辐射场内包含物体结构的细节信息；另一方面，由于该场的场强随着离开表面距离呈指数衰减，故而在远场即传统的光学检测技术中无法探测到。这一矛盾将近场光学的核心问题集中在探测束缚在物体表面的非辐射场，并将非辐射场不失真地以辐射场的形式传播出去，并加以接收的技术上。由于表面等离子体共振可以有效增强局域场的强度并且具有一系列新颖的特性，因此对于表面等离子体(Surface Plasmons Polari tons，SPPs)的近场检测是目前近场光学的一个重要问题。处于近场区域的SPPs包含了丰富的反映物体精细结构以及光学特性的信息，因此SPPs的检测技术不仅对了解表面等离子体本身的激发和传播特性，而且对SPPs传感，成像技术等都具有重大的指导意义。由于SPPs的表面波特性，其电场强度在垂直于界面方向呈现指数衰减形式，所以传统的光学显微手段无法对其进行成像。

目前较为常见的测量近场分布的仪器是扫描近场光学显微镜(SNOM)，但是利用SNOM对表面等离子体的近场检测存在一些缺陷和不足：首先，由于其利用光纤探针对近场进行检测，在一般情况下只能探测到近场区域内光场的横向分量。研究表明只有当待测场的纵向分量大于横向分量30倍时，才能有效地探测到近场的纵向分量。对于SPPs而言，其纵向分量占主导地位，但不同条件下纵向场所占总场的比例不同，但总体而言，纵向场分量仍与横向场分量的30倍存在差距，故无法用SNOM进行纵向场的有效检测。其次，透射光对成像的结果具有很大的影响。由于透射光也能有效的耦合到SNOM的光纤探针，因此利用SNOM得到的近场分布是SPPs与透射光的叠加，这在一定程度上影响了SPPs光场的检测质量。尤其在高数值孔径聚焦的情形下，其透射光的强度甚至大于所产生的SPPs的强度，因此大大降低了检测的可靠性。特别在焦点附近的光场，目前还没有得到过非常完美的SPPs光场成像。因此研究和开发出一套能有效检测近场纵向分量，同时能够很好消除透过光影响的超高分辨率成像技术具有特别深远的意义。

发明内容

本发明针对上述现有技术存在的问题进行了改进，即本发明要解决的技术问题是提供一种表面等离子体纵向场扫描近场光学显微镜装置及检测方法，在利用该装置和方法时实现了超高分辨率的近场电场纵向分量扫描探测。

本发明的表面等离子体纵向场检测装置包括：一种表面等离子体纵向场扫描近场光学显微镜装置，具有表面等离子体激发单元1、扫描控制单元2和检测单元3；表面等离子体激发单元1包括：激发光源、分束器7、高数值孔径物镜6、镀有45nm银膜的玻片、三维扫描平台；镀有45nm银膜的玻片设置在三维扫描平台上，其上通过自组装吸附有拉曼分子；激发光源发出的光束穿过分束器7、高数值孔径物镜6照射在吸附有拉曼分子的玻片上；扫描控制单元2包括：AFM金属探针5、AFM控制器4、计算机；AFM控制器4控制连接AFM金属探针5；计算机控制连接AFM控制器4；检测单元3包括：光谱分析仪11、光电倍增管10、分束器8、CCD和计算机；分束器8连接光谱分析仪11、光电倍增管10；光谱分析仪11连接CCD；CCD和光电倍增管10连接计算机；

光谱分析仪(11)分析的是拉曼光谱；

具有表面等离子体激发步骤、扫描控制步骤和检测步骤；表面等离子体激发步骤是在金属膜和空气界面上通过自组装吸附拉曼分子，在入射光经高数值孔径物镜(6)聚焦后在金膜与空气界面产生SPP场，在SPP场的作用下金膜上的拉曼分子发出拉曼信号，其相互干涉在焦点附近形成SPPs的驻波场，通过分析拉曼信号得到SPP场的特点；

扫描控制步骤利用AFM控制器(4)可实现对AFM金属探针(5)的三维扫描和定位；

检测步骤实现表面等离子体场的纵向场分量三维测量和分析。

具有表面等离子体激发步骤、扫描控制步骤和检测步骤；表面等离子体激发步骤是在金属膜和空气界面上涂覆拉曼分子，在入射光经高数值孔径物镜6聚焦后在金膜与空气界面产生SPP场，在SPP场的作用下金膜上的拉曼分子发出拉曼信号，其相互干涉在焦点附近形成SPPs的驻波场，通过分析拉曼信号得到SPP场的特点；

扫描控制步骤利用AFM控制器4可实现对AFM金属探针5的三维扫描和定位；

表面等离子体激发单元，满足表面等离子体激发条件的TM光波经过高数值孔径(N.A＝1.49)物镜聚焦，可以形成ATR(衰减全反射，Attenuated TotalReflection)结构，从而能够在银膜(或金膜；自工，平均膜厚差别为0.3nm)表面产生表面等离子体，不同偏振态的激发光在金属膜表面产生不同分布样式的表面等离子体分布。

扫描控制单元，利用AFM控制器可实现对AFM金属探针的三维扫描和定位，控制AFM金属探针尖靠近金属膜表面的SPPs时，由于SPPs与金属探针尖的作用能有效的激发局域表面等离子体(LSP)，使得金属针尖尖端处的电场得到了极大的增强。通过自组装使得金属探针尖端吸附有拉曼分子时，由于高度局域并显著增强的耦合场的存在，拉曼信号得到10⁸倍以上的增强；考虑透射光影响时，对应于SPPs激发的拉曼信号强度是透射光激发的信号强度的20倍，而SPPs与LSP耦合场的拉曼信号强度比单纯由SPPs激发的拉曼信号强度提高了近2个数量级，从而射光的影响基本可以忽略。

检测单元，在金属膜表面产生的表面等离子体包含纵向分量和横向分量两部分，SPPs的纵向分量和横向分量之比是由金属及其附近的电介质的介电常数之比所决定的，即：|E_z|²/|E_r|²＝|ε_m|/ε_d，在可见光范围内，对于金和银这两种激发表面等离子体最常用的金属而言，该比值分别为0.83，21.78和2.923，26.3，这个比值的大小不满足纵向场是横向场的30倍这一下限，因此不能直接使用常规方法进行检测。本发明检测单元借助SPPs与金属探针尖的相互作用实现拉曼增强，通过表面等离子体耦合辐射(surfaceplasmon-coupled emiss ion，SPCE)将拉曼信号从金属膜上方经过高数值孔径油浸物镜定向耦合到分束器1，之后分别经由分束器2进入CCD和光电倍增管，通过计算机控制拉曼信号的收集，进而得到表面等离子体场的单点纵向场分量测量。控制AFM金属探针进行三维扫描可以实现表面等离子体场的纵向场分量三维测量和分析。整个纵向场探测结果的分辨率在50nm以下，而且每张纵向场分布的图像的获取过程时间只要1-2分钟。对CCD获取的图像进行去卷积处理可以得到直观的纵向场分布情况可以与利用光电倍增管获得的纵向场分布情况形成良好的互补。

本发明的表面等离子体纵向场检测方法包括：是在金属膜和空气界面上通过自组装涂覆单层拉曼分子，当入射光经高数值孔径物镜聚焦后会在金属膜和空气界面激发SPPs，其相互干涉在焦点附近形成SPPs的驻波场。当粘附有拉曼分子的AFM金属探针尖靠近SPPs的驻波场时，由于SPPs与金属探针尖的作用能有效的激发局域表面等离子体(LSP)，使得金属针尖尖端处的电场得到了极大的增强。由于金属膜—AFM金属探针的gap结构(金属膜-间隙-金属探针结构)取向与SPPs纵向场分量的取向一致，从而可以充分激发LSP，而横向场不参与LSP的激发，当拉曼分子粘附在针尖尖端时，SPPs和LSP的耦合场激发的拉曼信号也得到了极大的增强。

I_{RS} (v_{S}) &Proportional; {Nσ}_{SERS} \cdot \frac{{| E_{loc} |}^{4}}{{| E_{SP} |}^{4}} \cdot {| E_{SP} |}^{2} = {Nσ}_{SERS} \cdot {| E_{SP} |}^{2} - - - (1)

其中I_RS为拉曼信号强度，E_loc为SPPs与LSP耦合电磁场的场强，E_sp为激发LSP的SPPs场的场强，RE为拉曼增强因子。

从上述原理可以得到：拉曼信号强度和针尖所处位置的SPPs电场强度成正比，同时由于SPPs的横向分量基本与LSP的激发无关，且SPPs电场强度的主体为其纵向分量，从而根据拉曼信号强度与针尖所处位置SPPs的纵向电场强度关系，可得到对应位置处的纵向场场强分布；进而对实验平台进行高精度的三维扫描，同时将拉曼信号导入光电倍增管进行二次放大，就能实现对整个近场范围内表面等离子体纵向分量的有效、精确且十分快速的测量。

本发明提供了对表面等离子体纵向场的高精度、高灵敏度测量的方法及装置，通过采用SPPs和LSP耦合拉曼光谱增强技术，有效减少了外界环境因素带来的干扰，提高了纵向场测量的可靠性和稳定性。本发明可拓展至对普通光场的纵向分量的检测，易于应用在不同类型的SPR耦合方案中，并且系统设计简单，操作方便。

附图说明：

图1表面等离子体纵向场检测装置结构示意图；

图2时域有限差分法针对该实验的模拟结果示意图；

图3模拟结果中SPPs场以及其横向、纵向分量与实验结果比较示意图；

图4对焦点附近SPPs驻波场的扫描结果：a，b，c分别为线偏振光、径向偏振光拓扑荷为1的涡旋光束所激发的SPPs在焦点附近纵向场分布。d，e，f，为根据Richard-wolf vectorial method(理查德-沃尔夫矢量积分理论)的模拟结果；

图5纵向场分量中心半高宽的实验结果，以及重复性实验结果示意图。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明的基本思想是借助SPPs与金属探针尖的相互作用实现拉曼增强，根据拉曼信号强度跟SPPs纵向分量之间的正比关系，以拉曼信号强度间接探测纵向场分布。

实施例：如图1、2、3、4、5所示，

一种表面等离子体纵向场扫描近场光学显微镜装置，具有表面等离子体激发单元1、扫描控制单元2和检测单元3；表面等离子体激发单元1包括：激发光源、分束器7、高数值孔径物镜6、镀有45nm银膜的玻片、三维扫描平台；镀有45nm银膜的玻片设置在三维扫描平台上，其上通过自组装吸附有拉曼分子；激发光源发出的光束穿过分束器7、高数值孔径物镜6照射在吸附有拉曼分子的玻片上；扫描控制单元2包括：AFM金属探针5、AFM控制器4、计算机；AFM控制器4控制连接AFM金属探针5；计算机控制连接AFM控制器4；检测单元3包括：光谱分析仪11、光电倍增管10、分束器8、CCD和计算机；分束器8连接光谱分析仪11、光电倍增管10；光谱分析仪11连接CCD；CCD和光电倍增管10连接计算机；

光谱分析仪(11)分析的是拉曼光谱；

并且为简化装置，用直径为60nm的银纳米小球取代AFM金属扫描头系统，并将拉曼分子置于纳米球与金属膜之间。由于纳米球与金属膜之间的纵向排列关系，只有电场的纵向分量能有效的激发LSP，并将电场束缚在拉曼分子所处的纳米球与金属膜的空隙中。因此这种方法具有与AFM金属扫描头系统具有完全相同的功能。通过对该简化装置实验结果的分析，能够实现对表面等离子体纵向场扫描显微镜系统的可行性，有效性，以及实用性的评估。从图2可以看出，由于近场探测装置(金属小球，AFM金属探针5)的引入，SPPs场的场分布不发生变化，仅出现能量在探测装置和金膜之间聚集。采用时域有限差分法对该实验进行模拟，并与实验结果进行对比，如图3所示，不失一般性，采用上述装置，分别对线偏振光、径向偏振光、以及拓扑荷为1的涡旋光束进行了数值模拟和对应的SPPs纵向场的实际测量，结果如图4所示。根据本实验方案测出的SPPs驻波场与数值模拟的纵向电场分布完全吻合，具有很高的精确性。对于波长632.8nm的径向偏振光激发的SPPs，实验检测结果中其纵向场分量的中心最大值半高宽为184.3nm，如图5所示，以五十个样本为一组进行重复性实验，所得结果基本满足正态分布，其纵向场中心最大值半高宽平均值为188.93nm(0.355λ₀，对应地，0.099λ₀ ²)比其典型值0.16λ₀ ²小38％，标准差为6.76nm。这对于提高系统的分辨率有着重要意义。同时，由于显著的拉曼增强效应以及光电倍增管的二次放大作用，拉曼信号得到显著的放大，从而有效的降低了扫描成像所需的积分时间，这大大提高了本发明系统的实用性。总之，根据我们的实验结果，本发明系统的可行性，有效性，以及实用性都得到了验证。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims

1.一种表面等离子体纵向场扫描近场光学显微镜装置，其特征在于，具有表面等离子体激发单元(1)、扫描控制单元(2)和检测单元(3)；所述的表面等离子体激发单元(1)包括：激发光源、分束器(7)、高数值孔径物镜(6)、镀有45nm银膜的玻片、三维扫描平台；所述的镀有45nm银膜的玻片设置在所述的三维扫描平台上，其上通过自组装吸附有拉曼分子；所述的激发光源发出的光束穿过所述的分束器(7)、高数值孔径物镜(6)照射在所述的吸附有拉曼分子的玻片上；所述的扫描控制单元(2)包括：AFM金属探针(5)、AFM控制器(4)、计算机；所述的AFM控制器(4)控制连接所述的AFM金属探针(5)；所述的计算机控制连接所述的AFM控制器(4)；所述的检测单元(3)包括：光谱分析仪(11)、光电倍增管(10)、分束器(8)、CCD和计算机；所述的分束器(8)连接所述的光谱分析仪(11)、光电倍增管(10)；所述的光谱分析仪(11)连接所述的CCD；所述的CCD和光电倍增管(10)连接所述的计算机。

2.根据权利要求1所述的表面等离子体纵向场扫描近场光学显微镜装置，其特征在于：所述的光谱分析仪(11)分析的是拉曼光谱。

3.一种如权利要求1所述的表面等离子体纵向场扫描近场光学检测方法，其特征在于：具有表面等离子体激发步骤、扫描控制步骤和检测步骤；所述的表面等离子体激发步骤是在金属膜和空气界面上通过自组装吸附拉曼分子，在入射光经高数值孔径物镜(6)在金膜与空气界面产生SPP场，在SPP场的作用下金膜上的拉曼分子发出拉曼信号，其相互干涉在焦点附近形成SPPs的驻波场，通过分析拉曼信号得到SPP场的特点。

4.根据权利要求3所述的表面等离子体纵向场扫描近场光学检测方法，其特征在于：所述的扫描控制步骤利用AFM控制器(4)可实现对AFM金属探针(5)的三维扫描和定位。

5.根据权利要求3所述的表面等离子体纵向场扫描近场光学检测方法，其特征在于：所述的检测步骤实现表面等离子体场的纵向场分量三维测量和分析。