CN105181652A - 基于表面等离子体耦合发射效应的光场成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于表面等离子体耦合发射效应的光场成像系统。该系统包括光源单元、激光投射单元、检测单元、计算及控制系统、载物台；载物台上放置有载玻片，所述光源单元产生激光并将其耦合到激光投射单元，激光投射单元将激光投射到载玻片上；其特征在于，载玻片的受光面覆盖有金属纳米薄膜，该金属纳米薄膜表面吸附有一金属纳米颗粒；当该金属纳米颗粒位于光场内时，该金属纳米颗粒产生散射光，该散射光中满足SP波矢匹配条件的成分由于表面等离子体耦合发射效应，在表面等离子体共振角产生SPCE信号；计算及控制系统用于通过移动载物台使金属纳米颗粒位于激光的光场内的不同位置，并通过检测单元检测金属纳米颗粒位于各位置时所产生的SPCE信号的强度，并据此生成光场的光强分布。

Description

基于表面等离子体耦合发射效应的光场成像系统

技术领域

本发明涉及光学成像技术领域，尤其涉及一种基于表面等离子体耦合发射效应的光场成像系统。

背景技术

光学显微成像作为一种观测物体微小结构的手段，在近代科学的发展中起到举足轻重的作用。尤其在生物、医学等领域，光学显微镜的发明与改进使得人们对生物体的观测迈入细胞水平，推动了人们对生命现象的研究与认识。然而，由于光学衍射极限的存在，常规的光学显微镜的分辨率并不能被无限提高，而是被限制在半波长以上。以照明光源为可见光为例，其最高分辨率一般在250nm-300nm范围内。扫描近场光学成像技术从物理上克服了伴随常规光学显微镜的衍射极限的束缚。其基本思路是将一个微小物体控制在距离物体表面纳米尺度的范围内(近场范围),利用它将束缚在物体表面的隐失场信息转换成能够在远场被接收的传播场。通过精确的扫描与反馈技术，得到被测物体的超分辨成像。然而目前广泛应用的近场光学显微技术也存在一些缺陷与不足，尤其当它用作聚焦光场成像时，主要表现在以下三个方面：1)信号光与激发光分离困难；2)信号光收集效率低；3)近场探针具有单一的光偏振选择性。

首先，如何将由探针产生的微弱信号光从背景光中分离出来是近场光学显微技术的关键问题，尤其当信号光在空间和光谱上都与照明光重叠时(例如样品产生的瑞利散射光信号)。对于孔径型扫描近场光学显微镜而言，其光纤探头无论对样品表面的隐失场还是背景照明光都有一定的耦合响应。因此由光纤探头检测到的光信号始终包含有背景光的信息，降低系统的信噪比。散射型扫描近场光学显微镜可以通过斜入射激发以及引入锁相放大器的方式在一定程度上降低背景光的影响。然而这种激发方式通常需要长工作距离(一般为低数值孔径)的物镜接收信号。这会降低信号的收集效率。同时锁相放大器的引入也会增加系统的复杂性。

其次，目前的探针系统对信号光的收集效率较低，这直接影响系统的扫描成像时间。以孔径型光纤探针为例，光耦合进探针的效率一般为10^-6-10^-4。虽然通过增加孔径的尺寸可以有效提高耦合效率，但这同时也会引入很强的背景光信号，而且会牺牲成像系统的分辨率。对于散射型探针而言，束缚在样品表面的隐失场由于探针的作用被转换成传播的散射光信号。一方面散射光的发射具有很广的空间角度分布；另一方面，接收散射光信号时通常又需要长工作距离的物镜。这两方面共同导致了信号光的低收集效率。

最后，目前的近场光学探针对光的偏振具有单一的选择性。由于束缚在样品表面的隐失场具有矢量性，而且其横向或纵向分量的比重与样品的表面形态有很高的相关性，这种单一的偏振选择性一方面会降低系统的信号转化与收集能力，另一方面也会使得样品的近场光学成像信息不完整。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种基于表面等离子体耦合发射效应的光场成像系统，以解决传统近场光学显微镜信号光与激发光分离困难的缺陷。本发明是这样实现的：

一种基于表面等离子体耦合发射效应的光场成像系统，包括光源单元、激光投射单元、检测单元、计算及控制系统、载物台；所述载物台上放置有载玻片，所述光源单元产生激光并将其耦合到所述激光投射单元，所述激光投射单元将所述激光投射到所述载玻片上；所述载玻片的受光面覆盖有金属纳米薄膜，该金属纳米薄膜表面吸附有一金属纳米颗粒；当该金属纳米颗粒位于所述激光的光场内时，该金属纳米颗粒产生散射光，该散射光中满足SP波矢匹配条件的成分由于表面等离子体耦合发射效应，在表面等离子体共振角产生SPCE信号；

所述计算及控制系统用于通过移动所述载物台使所述金属纳米颗粒位于所述激光的光场内的不同位置，并通过所述检测单元检测所述金属纳米颗粒位于各位置时所产生的SPCE信号的强度，并据此生成所述光场的光强分布。

进一步地，所述激光投射单元将所述激光聚焦后投射到所述载玻片上。

进一步地，所述光源单元包括激光器及第一分束器；所述激光投射单元包括高数值孔径物镜及滤波片；所述激光器产生的激光依次通过所述第一分束器反射及所述滤波片滤波后耦合到所述高数值孔径物镜。

进一步地，所述激光投射单元还包括第一CCD相机及第一正透镜；

所述激光在所述金属纳米薄膜上形成的光斑图像依次通过所述高数值孔径物镜、滤波片、第一分束器及第一正透镜被所述第一CCD相机采集；

所述第一CCD相机用于将采集到的光斑图像发送到所述计算及控制系统显示。

进一步地，所述检测单元包括高数值孔径油浸物镜、第二分束器、第二正透镜、第二CCD相机、遮光板、第三正透镜、耦合器及光电倍增管；

透过所述金属纳米颗粒及金属膜的透射光成分及所述SPCE信号依次通过所述高数值孔径油浸物镜及第二分束器后分束成反射光束和透射光束；其中，反射光束通过所述第二正透镜后被所述第二CCD相机采集，透射光束经遮光板去除其中的透射光成分后，再依次通过第三正透镜及耦合器后耦合到所述光电倍增管，经所述光电倍增管输出电信号；

所述光电倍增管与所述计算及控制系统连接，用于将所述电信号发送到所述计算及控制系统；

所述计算及控制系统根据所述电信号计算所述SPCE信号的强度。

进一步地，所述载物台包括一二维移动平台及三维移动平台；所述三维移动平台固定在所述二维移动平台上，且最大移动精度比该二维移动平台高；所述二维移动平台及三维移动平台与所述计算及控制系统连接；

所述二维移动平台用于在所述计算及控制系统的控制下将所述金属纳米颗粒粗略定位到所述光场内；

所述三维移动平台用于在所述计算及控制系统的控制下将所述金属纳米颗粒精确定位到所述光场的不同位置。

进一步地，所述计算及控制系统用于按照所述三维移动平台的最大移动精度逐点移动所述金属纳米颗粒，使其到达所述光场的每个位置，并通过所述检测单元检测所述金属纳米颗粒位于所述光场内每个位置时所产生的SPCE信号的强度，并据此生成所述光场的光强分布。

进一步地，所述高数值孔径油浸物镜与一三维调焦装置连接；所述三维调焦装置用于调节所述高数值孔径油浸物镜的焦距。

进一步地，所述载玻片材料为二氧化硅。

与现有技术相比，本发明利用SPCE信号的定向激发特性，有效地将散射光信号从背景光中分离出来，提高了系统检测的信噪比，同时，也提升了系统收集信号光的能力。再次，本发明利用表面等离子体耦合共振的能级劈裂现象，解决近场探针的单一偏振选择性问题。

附图说明

图1：本发明实施例提供的基于表面等离子体耦合发射效应的光场成像系统结构示意图；

图2：本发明中涉及的“金属纳米颗粒-金属纳米薄膜”构型示意图；

图3a：2nm间隙尺寸下表面等离子体耦合共振对横向和纵向电场的响应曲线示意图；

图3b：1nm间隙尺寸下表面等离子体耦合共振对横向和纵向电场的响应曲线示意图；

图4：散射光的表面等离子体耦合发射结果示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

本发明的技术核心是一“金属纳米颗粒-金属纳米薄膜”构型。金属纳米薄膜504表面吸附金属纳米颗粒505后可形成“金属纳米颗粒-金属纳米薄膜”构型。图2所示为该构型示意图，该构型是利用链状分子的自组装性质，将金属纳米颗粒505(直径20nm-100nm)吸附到金属膜(厚度40-60nm)上实现的，通过改变链状分子c-c键的个数可调节金属颗粒与金属膜的间隙(0.5nm-5nm)。该构型在本发明中的工作原理将在后文详述。

结合图1及图2，本发明所提供的基于表面等离子体耦合发射效应的光场成像系统包括光源单元、激光投射单元、检测单元、计算及控制系统4及载物台。载物台上放置有载玻片503，光源单元产生激光并将其耦合到激光投射单元，激光投射单元将激光投射到载玻片503上。载玻片503可采用二氧化硅材料，载玻片503的受光面覆盖有金属纳米薄膜504，该金属纳米薄膜504表面吸附有一金属纳米颗粒505。可通过镀膜的方式将金属纳米薄膜504镀到载玻片503上。

激光投射单元将激光投射到载玻片503上时将形成光场。本发明基于表面等离子体耦合发射效应的光场成像系统通过检测该光场内各不同位置的场强，并据此形成该光场的光强分布(即对光场成像)。本发明既可以检测普通光场，也可以检测聚焦光场，如需检测聚焦光场，则激光投射单元可将激光聚焦后再投射到载玻片503上。当金属纳米颗粒505位于光场内时，该金属纳米颗粒505产生散射光，该散射光中满足SP波矢匹配条件的成分由于表面等离子体耦合发射效应，在表面等离子体共振角产生SPCE信号。

计算及控制系统4用于通过移动载物台使金属纳米颗粒505位于激光的光场内的不同位置，并通过检测单元检测金属纳米颗粒505位于各位置时所产生的SPCE信号的强度，并据此生成光场的光强分布。根据SPCE信号的产生原理可知，金属纳米颗粒505位于光场内某一位置时产生的SPCE信号的强度与光场在该位置的场强之间存在联系，光场在该位置的场强越大，则金属纳米颗粒505在该位置时产生的SPCE信号的强度也越大，因此，通过记录金属纳米颗粒505位于光场内各位置时SPCE信号的强度，可形成该光场的光强分布。

本发明中，光源单元包括激光器101及第一分束器102，第一分束器102的透射反射比为1:1。激光投射单元包括高数值孔径物镜201及滤波片202。激光器101产生的激光依次通过第一分束器102反射及滤波片202滤波后耦合到高数值孔径物镜201(放大倍数范围：10x-100x，NA范围：0.1-0.95)。激光投射单元还包括第一CCD相机203及第一正透镜204，激光在金属纳米薄膜504上形成的光斑图像依次通过高数值孔径物镜201、滤波片202、第一分束器102及第一正透镜204被第一CCD相机203采集，第一CCD相机203用于将采集到的光斑图像发送到计算及控制系统4显示。通过第一CCD相机203可观察激光投射到载玻片503上所形成的光斑，确定该光斑的位置，观察金属纳米颗粒505是否在该光斑内。

检测单元包括高数值孔径油浸物镜301、第二分束器302、第二正透镜303、第二CCD相机304、遮光板305、第三正透镜306、耦合器307及光电倍增管308。透过金属纳米颗粒505及金属膜的透射光成分及SPCE信号依次通过高数值孔径油浸物镜301(放大倍数100x，NA＝1.49)及第二分束器302后分束成反射光束和透射光束。其中，反射光束通过第二正透镜303后被第二CCD相机304采集。通过第二CCD相机304可寻找、观测金属颗粒。透射光束经遮光板305去除其中的透射光成分后，再依次通过第三正透镜306及耦合器307后耦合到光电倍增管308，经光电倍增管308输出电信号。光电倍增管308与计算及控制系统4连接，用于将电信号发送到计算及控制系统4，计算及控制系统4根据电信号计算SPCE信号的强度。

载物台包括一二维移动平台501及三维移动平台502。三维移动平台502固定在二维移动平台501上，且最大移动精度比该二维移动平台501高，二维移动平台501及三维移动平台502与计算及控制系统4连接。二维移动平台501用于在计算及控制系统4的控制下将金属纳米颗粒505粗略定位到光场内；三维移动平台502用于在计算及控制系统4的控制下将金属纳米颗粒505精确定位到光场的不同位置。本发明实施例中，二维移动平台501的最大移动精度为100nm，三维移动平台502的最大移动精度为1nm。计算及控制系统4在移动金属纳米颗粒505的过程中，可按照三维移动平台502的最大移动精度逐点移动金属纳米颗粒505，使其到达光场的每个位置，并通过检测单元检测金属纳米颗粒505位于光场内每个位置时所产生的SPCE信号的强度，并据此生成光场的光强分布。

高数值孔径油浸物镜301还与一三维调焦装置310连接，计算及控制系统4可通过三维调焦装置310调节高数值孔径油浸物镜301的焦距。计算及控制系统4可采用计算机，通过Labview编程实现对载物台及检测单元的控制。

对于“金属纳米颗粒-金属纳米薄膜”构型，其耦合共振响应针对不同的入射光偏振呈现能级劈裂现象，即由纵向电场激发的共振模式由于更强的电子间库仑力作用，其共振峰相对于横向电场激发的共振模式呈现一定的红移。这种能级劈裂现象有助于通过调节结构参数来调控系统的偏振响应，解决目前近场显微镜中近场探针的单一偏振选择性问题。图3a及图3b给出了在不同间隙下，其表面等离子体耦合共振对横向和纵向电场的响应曲线。首先，从图中可以清楚地看到耦合共振谱线在不同偏振下出现的能级劈裂现象。其次，通过改变金属颗粒与金属膜的间距，可以有效地调节共振谱线的位置。这种能级劈裂现象有助于通过调节结构参数来调控系统的偏振响应，这样就解决了当前近场显微镜中近场探针的单一偏振选择性问题。

当激光照射到金属纳米颗粒505上时，一方面激光与金属纳米颗粒505作用会在颗粒表面激发局域表面等离子体(LSP)。另一方面，金属纳米颗粒505在光场中产生散射光，由金属纳米颗粒505产生的散射光由于覆盖很广的波矢范围，其满足SP波矢匹配条件的散射光成分能激发金属纳米薄膜504表面的传播表面等离子体(PSP)。传播表面等离子体一方面会与金属颗粒表面的局域表面等离子体相互作用产生新的表面等离子体耦合共振模式，当金属纳米颗粒505与金属纳米薄膜504的间距很小时，金属纳米颗粒505表面的局域表面等离子体与金属纳米薄膜504表面的传播表面等离子体通过电子间的库伦力相互作用，其相互作用大小与入射光偏振直接相关，从而可以实现对光场的偏振选择性检测。另一方面，当使用高数值孔径油浸物镜301接收信号时，其能量会耦合到金属膜下方的介质层(载玻片503)，实现散射光的再发射。其发射角度由传播表面等离子体的波矢匹配条件而定。由于传播表面等离子体的波矢大于自由空间中入射光的波矢，散射光的发射角度始终大于系统的全内反射角。例如，对于532nm入射光而言，假定金属纳米薄膜504下方介质层的折射率为1.515，由金属纳米颗粒505产生的散射光经过金属纳米薄膜504后实现再发射的角度为44.2°，大于系统的全内反射角度θTIR＝arcsin(1/1.515)＝41.3。)

图4为实验结果，显示在高数值孔径油浸物镜301后焦面由第二CCD相机304拍下的光斑图案，其能反应由高数值孔径油浸物镜301接收到的光信号在角度上的分布。实验中，金属纳米薄膜504上方的高数值孔径物镜201的数值孔径为0.9，下方的高数值孔径油浸物镜301的数值孔径为1.49。从图4中可以看到，图案的外围有一条非常清晰的亮环。该亮环就是由散射光透过金属纳米颗粒505及金属膜后定向激发的SPCE信号形成。亮环所处位置反应了SPCE信号的发射角度(44.2°)。图案中间的圆形亮斑是透过金属纳米颗粒505及金属膜的透射光成分的分布。对于NA为0.9的高数值孔径物镜201，其能达到的最大聚焦角度为θmax＝arcsin(0.9)＝64.2°。根据折射定律可以很容易得到透射光成分的最大角度为θtmax＝arcsin(sin(θmax)/1.515)＝36.4°，对应于圆形亮斑的边界。因此，利用表面等离子体耦合发射效应能有效地将散射光信号与激发光(背景光)信号在空间上分离开来，降低背景噪声的影响，同时由于SPCE信号定向发射，可提升系统收集信号光的能力，两者结合，能有效提高系统的信噪比，提升成像速度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于表面等离子体耦合发射效应的光场成像系统，包括光源单元、激光投射单元、检测单元、计算及控制系统、载物台；所述载物台上放置有载玻片，所述光源单元产生激光并将其耦合到所述激光投射单元，所述激光投射单元将所述激光投射到所述载玻片上；其特征在于，所述载玻片的受光面覆盖有金属纳米薄膜，该金属纳米薄膜表面吸附有一金属纳米颗粒；当该金属纳米颗粒位于所述激光的光场内时，该金属纳米颗粒产生散射光，该散射光中满足SP波矢匹配条件的成分由于表面等离子体耦合发射效应，在表面等离子体共振角产生SPCE信号；

所述计算及控制系统用于通过移动所述载物台使所述金属纳米颗粒位于所述激光的光场内的不同位置，并通过所述检测单元检测所述金属纳米颗粒位于各位置时所产生的SPCE信号的强度，并据此生成所述光场的光强分布。

2.如权利要求1所述的基于表面等离子体耦合发射效应的光场成像系统，其特征在于，所述激光投射单元将所述激光聚焦后投射到所述载玻片上。

3.如权利要求1所述的基于表面等离子体耦合发射效应的光场成像系统，其特征在于，所述光源单元包括激光器及第一分束器；所述激光投射单元包括高数值孔径物镜及滤波片；所述激光器产生的激光依次通过所述第一分束器反射及所述滤波片滤波后耦合到所述高数值孔径物镜。

4.如权利要求3所述的基于表面等离子体耦合发射效应的光场成像系统，其特征在于，所述激光投射单元还包括第一CCD相机及第一正透镜；

所述激光在所述金属纳米薄膜上形成的光斑图像依次通过所述高数值孔径物镜、滤波片、第一分束器及第一正透镜被所述第一CCD相机采集；

所述第一CCD相机用于将采集到的光斑图像发送到所述计算及控制系统显示。

5.如权利要求1所述的基于表面等离子体耦合发射效应的光场成像系统，其特征在于，所述检测单元包括高数值孔径油浸物镜、第二分束器、第二正透镜、第二CCD相机、遮光板、第三正透镜、耦合器及光电倍增管；

透过所述金属纳米颗粒及金属膜的透射光成分及所述SPCE信号依次通过所述高数值孔径油浸物镜及第二分束器后分束成反射光束和透射光束；其中，反射光束通过所述第二正透镜后被所述第二CCD相机采集，透射光束经遮光板去除其中的透射光成分后，再依次通过第三正透镜及耦合器后耦合到所述光电倍增管，经所述光电倍增管输出电信号；

所述光电倍增管与所述计算及控制系统连接，用于将所述电信号发送到所述计算及控制系统；

所述计算及控制系统根据所述电信号计算所述SPCE信号的强度。

6.如权利要求1所述的基于表面等离子体耦合发射效应的光场成像系统，其特征在于，所述载物台包括一二维移动平台及三维移动平台；所述三维移动平台固定在所述二维移动平台上，且最大移动精度比该二维移动平台高；所述二维移动平台及三维移动平台与所述计算及控制系统连接；

所述二维移动平台用于在所述计算及控制系统的控制下将所述金属纳米颗粒粗略定位到所述光场内；

所述三维移动平台用于在所述计算及控制系统的控制下将所述金属纳米颗粒精确定位到所述光场的不同位置。

7.如权利要求6所述的基于表面等离子体耦合发射效应的光场成像系统，其特征在于，所述计算及控制系统用于按照所述三维移动平台的最大移动精度逐点移动所述金属纳米颗粒，使其到达所述光场的每个位置，并通过所述检测单元检测所述金属纳米颗粒位于所述光场内每个位置时所产生的SPCE信号的强度，并据此生成所述光场的光强分布。

8.如权利要求1所述的基于表面等离子体耦合发射效应的光场成像系统，其特征在于，所述高数值孔径油浸物镜与一三维调焦装置连接；所述三维调焦装置用于调节所述高数值孔径油浸物镜的焦距。

9.如权利要求1所述的基于表面等离子体耦合发射效应的光场成像系统，其特征在于，所述载玻片材料为二氧化硅。