CN103837499B - 一种基于宽带表面等离子体波的微区光谱测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于宽带表面等离子体波的微区光谱测量装置，主要是利用高数值孔径显微物镜与宽带径向偏振光或称径向偏振白光搭建光谱测量装置。入射宽带环形径向偏振光束被高数值孔径油浸显微物镜聚焦到金属薄膜上，激发金属薄膜上表面的宽带表面等离子体波，表面等离子体波沿界面向物镜聚焦中心传播，形成一个超衍射极限的聚焦白光光斑，即近场光斑，局域在金属薄膜上表面。此光斑遇到被测样品后被散射到远场并被光谱仪采集，从而获得样品的光谱信息。表面等离子体波具有很小的穿透深度，径向偏振光可实现超衍射极限聚焦光斑，其中心光强远大于入射光光强，基于此装置可获得高空间分辨率，高灵敏度和信噪比的被测样品光谱信息。

Description

一种基于宽带表面等离子体波的微区光谱测量装置

技术领域

本发明涉及表面等离子体波和光谱测量的技术领域，特别涉及一种基于宽带表面等离子体波的微区光谱测量装置。

背景技术

光谱是研究物质内部结构和运动及其相互作用的有力工具。在常规光谱探测中，由于衍射极限的存在，其空间分辨率很难达到微米以下。而在光谱分析的很多应用中，发光区域的尺度常在纳米级别，如单分子荧光，量子线、量子点光源等。

目前实现高空间分辨率的光谱技术主要有两类：1、利用扫描共聚焦显微镜测定光谱。共聚焦显微镜具有较高的横向分辨率，但其纵向分辨率较低，且横向分辨率仍受衍射极限的限制。2、利用近场光学显微镜与近场光谱，用纳米尺度的微光学探针扫描而同时得到样品的形貌和微区光谱，此方法空间分辨率高，但装置成本高，操作复杂，应用颇为不便。

发明内容

本发明的目的是克服现有测量技术的不足，提出了一种基于宽带（或宽波长）表面等离子体波的微区光谱测量装置，可获得高空间分辨率，高灵敏度和高信噪比的光谱信息。

本发明实现上述目的的技术方案如下：

一种基于宽带表面等离子体波的微区光谱测量装置：其包括：宽带光源，光纤，扩束透镜，偏振片，径向偏振转换器，反射镜，光阑，高数值孔径油浸显微物镜，折射率匹配油，样品，光谱仪；

其中，样品包括玻璃基底，金属薄膜（如金膜，银膜等），待测样品（如生物细胞，纳米粒子等）及上方空气层构成的四层结构，金属薄膜蒸镀或溅射在玻璃基底上，在金属薄膜上滴涂或浸涂待测样品，使样品粘着在金属薄膜上。

所述宽带光源由光纤导出，由扩束透镜扩束后经偏振片，径向偏振转换器转换为径向偏振光，再经反射镜，光阑挡去中心部分，得到环形径向偏振光束，通过高数值孔径油浸显微物镜，折射率匹配油，以宽角度范围聚焦辐照在金属薄膜上，激发金属-空气界面的表面等离子体波，表面等离子体波沿金属-空气界面向物镜焦点传播，在金属表面形成超衍射极限的聚焦白光光斑（近场光斑，局域在金属薄膜上表面），当样品被此聚焦光斑照射时，此近场局域的光斑会被散射到远场，被光谱仪采集，从而得到待测样品的光谱信息。

本发明和传统技术相比的优势为：

1、本发明空间分辨率高。本发明以宽带表面等离子体波为光谱光源，表面等离子体波具有超衍射极限的穿透深度，在强聚焦下径向偏振光的聚焦光斑尺寸可小至0.3λ，因而可同时实现高纵向和横向分辨率。

2、本发明信噪比、灵敏度高。所述宽带径向光源通过扩束后，用光阑挡去中心部分光束，得到环形光斑，只让高反射角θ_r到SP激发角θ_sp之间的入射光通过，在这一很小的角度范围内绝大部分能量都耦合了到SP中，直接通过的背景光非常弱，极大地降低了背景噪声，因而具有高信噪比和灵敏度。

附图说明

图1为一种基于宽带表面等离子体波的微区光谱测量装置；

其中，1、宽带光源，2、光纤，3、扩束透镜，4、偏振片，5、径向偏振转换器，6、反射镜，7、光阑，8、高数值孔径油浸显微物镜，9、折射率匹配油，10、基底，11、金属薄膜，12、待测样品，13、光谱仪。

图2为测量流程图；

图3为所述环形光束聚焦示意图，其中，14、聚焦平面，(a)、(b)分别对应线性和径向偏振，箭头表示偏振方向。

图4为45nm金膜上500nm环形径向偏振光的聚焦光斑强度分布图，其中，(a)、(b)分别对应线性和径向偏振；

图5为45nm金膜在600nm入射光激发下的ATR曲线。

图6为本发明实施例所得光谱。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述，附图中相同的标号始终表示相同的部件。

参照图1所示的一种基于宽带表面等离子体波的微区光谱测量装置，包括宽带光源1，光纤2，扩束透镜3，偏振片4，径向偏振转换器5，反射镜6，光阑7，高数值孔径油浸显微物镜8，折射率匹配油9，玻璃基底10，金属薄膜11，待测样品12，光谱仪13。

具体测量流程如图2。

样品制备过程如下：在玻璃基底10上蒸镀一层45nm厚的金膜，将直径为2um的聚苯乙烯小球（PolystyreneSpheres，简称PS小球）（即为待测样品）溶解于去离子水中，滴涂在金膜上，静置以待水分挥发，即制备成所需样品。

将制备好的样品通过折射率为1.56的折射率匹配油9相连于显微物镜8（60X，N.A.=1.35）。由光纤2引导出的宽带光源经扩束透镜3扩束至可覆盖显微物镜8的入射瞳面，经偏振片4、径向偏振转换器5转换为径向偏振光，再经光阑挡去中心光束，得到环形光斑，经显微物镜8聚焦到样品金膜与空气界面上，激发金膜-空气界面的表面等离子体波，表面等离子体波向物镜聚焦中心传播，最终在物镜焦点处形成一个超衍射极限的聚焦白光光斑。

调节光阑使得环形光斑内外径分别在金膜ATR曲线的高反射角θr和SP激发角θ_sp处，不满足SP激发角的光线因为高反射率很少透过样品，满足SP激发角的光通过SP耦合到界面处。表面等离子体波向物镜中心汇聚形成的超衍射极限聚焦白光光斑被界面上的微小颗粒PS小球散射到远场，被光谱仪采集，图6即为本实施例得到的PS小球散射光谱。

本发明技术方案的原理为：

表面等离子体波（SurfacePlasmon，简称SP）是光与金属表面自由电子相互作用产生的金属表面电荷振荡的电荷疏密波，它存在于介电常数实部分别为正负的两种材料的分界面上，如金属与空气界面。由于SP的波矢大于同频率的光波矢量，所以它不能由光直接激发，必须通过波矢补偿增大光波矢量才能实现SP的激发。本专利中利用折射率匹配油和玻璃基底提高波矢，在某些特定的角度下，可实现入射光与金属表面等离子振荡的耦合，激发表面等离子体波。

其实现条件是其中n为棱镜的折射率，θ为激发光入射角度，k₀为入射光在真空中的波矢量。ε_m,ε_d分别为与金属薄膜的介电常数以及与金属薄膜接触的介质的介电常数。k_sp为被激发的表面等离子体波的波矢量。

表面等离子体波具有表面局域和近场增强两大特性。

由SP的表达式：

$E_{\mathrm{SP}}(x,z)=E_0{e}^{i{k}_{\mathrm{sp}}x-k_z\left|z\right|}$

可以看出，SP的电场强度沿垂直于界面方向指数衰减，说明SP是一种隐失波，电磁场只存在于界面附近极薄的范围内，其穿透深度δ（强度衰减为初始强度的1/e时的距离）可达到小于λ/2的超衍射极限近场光学范畴，利用SP作为光谱光源可极大地提高纵向分辨率。

径向偏振光经强聚焦后在金属薄膜表面可形成的光斑尺寸小至0.3λ，图4(a)、(b)分别为500nm的环形线偏和径向偏振光束在45nm金膜上的聚焦光斑，尺寸分别为420nm和180nm，可见径向偏振聚焦光斑远小于常规线偏光的聚焦光斑，小聚焦光斑可带来高横向分辨率。

对于宽带光源，强聚焦提供的大角度范围可使得在此超衍射极限光斑内各波长对应的SP波均被激发，这提供了一种宽带的、局域于界面的、超衍射极限尺寸的纳米光源。

SP的另一特性——近场增强效应为这种方法带来更大的可行性。经计算，当波长为450nm的光入射到银膜上时，银膜表面的电场增强约为入射电场的100倍。这种近场增强效应对提高探测灵敏度有着重要贡献。

SP的激发条件中，偏振也有很重要的影响。当且仅当存在垂直于界面的偏振分量时才能激发SP。传统SP应用中，一般使用线性偏振光，这表示经过聚焦之后某些立体角上不能激发SP，而径向偏振光由于光斑内偏振的圆对称性（或柱对称性），被同样是柱对称的高数值孔径显微物镜聚焦之后在金属表面可实现360度的全方向SP激发，并均向物镜焦点传播、汇聚、相长干涉，从而获得了更高强度的SP光源。

由图5-金属薄膜的衰减全反射（AttenuatedTotalReflection，简称ATR）曲线可知，在非SP激发角_θsp处反射率基本大于0.8，说明直接透射的光强很弱，只有在SP激发角处能量才极大的耦合到界面的SP中。当界面存在微小物质（如纳米粒子，生物细胞）时，所激发的SP波会被微小物质散射而从近场辐射到远场，被光谱仪收集，即可得关于界面处微小物质的光谱信息。

因此，在光路中加入环形光阑，挡去小角度激发光，能进一步降低背景噪声，提高信噪比和灵敏度。

这样，可得到一种具有超衍射空间分辨率的高灵敏度和信噪比的光谱测量装置。

下面对上述技术方案作进一步解释：

1、所述环形光斑的宽度可调节，内环半径应在所用材料ATR曲线的高反射角θ_r附近，外环半径应大于SP激发角θ_sp。

2、所述金属薄膜可根据所测物质的不同选择不同材料，其厚度控制在几十纳米。

本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制在具体实施方式的范围内，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (5)

1.一种基于宽带表面等离子体波的微区光谱测量装置，其特征在于：其包括：宽带光源(1)，光纤(2)，扩束透镜(3)，偏振片(4)，径向偏振转换器(5)，反射镜(6)，光阑(7)，高数值孔径油浸显微物镜(8)，折射率匹配油(9)，样品和光谱仪(13)；

其中，样品包括玻璃基底(10)，金属薄膜(11)，待测样品(12)及上方空气层构成的四层结构，其制备过程为：在玻璃基底(10)上蒸镀或溅射金属薄膜(11)，并在金属薄膜上滴涂或浸涂待测样品(12)，使待测样品(12)粘着在金属薄膜(11)上；

宽带光源(1)由光纤(2)导出，由扩束透镜(3)扩束后经偏振片(4)，径向偏振转换器(5)转换为径向偏振光，再经反射镜(6)，光阑(7)挡去中心光束，得到宽带环形径向偏振光束，通过高数值孔径油浸显微物镜(8)，折射率匹配油(9)，以宽角度范围聚焦辐照在金属薄膜(11)上，激发金属-空气界面的表面等离子体波，表面等离子体波沿界面向物镜中心焦点传播，形成一个局域于此界面的超衍射极限的聚焦白光光斑，此光斑遇到界面上的微小颗粒发生散射，散射光被光谱仪(13)采集，进而获得待测样品的光谱信息。

2.根据权利要求1所述的一种基于宽带表面等离子体波的微区光谱测量装置，其特征在于：所述的宽带光源为白光光源或卤素灯。

3.根据权利要求1所述的一种基于宽带表面等离子体波的微区光谱测量装置，其特征在于：所述环形径向偏振光束外径可覆盖高数值孔径油浸物镜(8)的入瞳，以宽角度范围聚焦辐照在金属薄膜-空气界面；使用高数值孔径油浸物镜的效果，一是相当于激发表面等离子体波所需的高折射率棱镜，使得每一个入射光波长都以一定的角度范围入射到金属薄膜表面，在某一角度下，此波长的光可激发局域于金属薄膜表面的等离子体波；二是使得被激发的宽带表面等离子体波均向物镜聚焦中心汇聚，形成超衍射极限的聚焦白光光斑；该装置可有效提高测量的空间分辨率、信噪比，由于表面等离子体波对周围物质的光学性质变化极其敏感，因此该装置同样具有高灵敏度。

4.根据权利要求1所述的一种基于宽带表面等离子体波的微区光谱测量装置，其特征在于：所述的金属薄膜(11)为金膜或银膜。

5.根据权利要求1所述的一种基于宽带表面等离子体波的微区光谱测量装置，其特征在于：所述的待测样品(12)为生物细胞或纳米粒子。