CN107589096B - 一种用于表面等离子体共振成像的数字全息记录方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于表面等离子体共振成像的数字全息记录方法。利用表面等离子体共振只对p偏振光波响应的特点，以包含s分量和p分量的线偏光作为表面等离子体共振成像系统的入射光波，出射光波经沃拉斯顿棱镜后分为具有一定夹角的s和p偏振光波，其中s偏振光波不能激发表面等离子体共振，不携带物光波信息而作为参考光波，p偏振光波作为物光波。物光波与参考光波经检偏器后，以相同的偏振态到达图像采集器件并发生离轴干涉，实现共路式的数字全息记录。所涉及的数字全息记录方法使实验系统结构简单紧凑，时间稳定性高，并且没有损失系统原有的有效视场。

Description

一种用于表面等离子体共振成像的数字全息记录方法

技术领域

本发明涉及一种数字全息记录方法，尤其涉及一种在表面等离子体共振成像系统中，通过引入沃拉斯顿棱镜，使物光波和参考光波以共路的方式干涉而实现数字全息记录的方法。

背景技术

表面等离子体共振对于金属界面上近场区域样品折射率/浓度、厚度的微小变化异常灵敏，具有免标记和实时响应的优点。因而，表面等离子体共振成像技术被广泛应用于化学、生物医学等研究领域。传统的表面等离子体共振成像技术采用强度探测，相比于强度探测，相位探测技术因其更高的灵敏度而得到更快的发展。多种光学干涉技术，包括时域相位调制干涉术、外差干涉术和相移干涉术，被应用于表面等离子体共振成像系统中以进行相位探测。此外，数字全息术因其可以对物场的振幅及相位分布进行快速、全场、非破坏性和高分辨率定量测量等优点，也被应用于表面等离子体共振成像，以提高探测灵敏度和拓宽探测范围(S.Li,et al.“Simultaneous amplitude-contrast and phase-contrastsurface plasmon resonance imaging by use of digital holography,”Biomed.Opt.Express 3(12),3190–3202(2012).)。利用高数值孔径油浸物镜耦合的表面等离子体共振显微术与数字全息术相结合，可以进行高放大倍数和无畸变成像(B.Mandracchia,et al.“Surface plasmon resonance imaging by holographicenhanced mapping,”Anal.Chem.87,4124–4128(2015).)。但是，该成像系统中的数字全息记录方式基于非共光路的马赫-曾德干涉仪，导致其时间稳定性较低，不利用动态过程的实验测量。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，使表面等离子体共振成像系统中物光波和参考光波以共路的方式干涉而实现数字全息记录，进而提高系统的时间稳定性以利于动态过程的实验测量，本发明提出一种用于表面等离子体共振成像的共光路数字全息记录方法。

技术方案

本发明的思想在于：利用表面等离子体共振只对p偏振光波响应的特点，以包含s偏振和p偏振分量的线偏光作为表面等离子体共振成像系统的入射光波，出射光波经沃拉斯顿棱镜分解为具有一定夹角的s和p偏振光波，其中s偏振光波不能激发表面等离子体共振，不携带物光波信息而作为参考光波。物光波和参考光波经检偏器后，以相同的偏振态到达图像采集器件并发生离轴干涉，实现共路式的数字全息记录。

一种用于表面等离子体共振成像的数字全息记录方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：一束偏振方向为45°的线偏振平行光以激发角θ入射到Kretschmann结构上发生表面等离子体共振；

步骤2：出射光波经成像透镜后继续通过具有一定分束角的沃拉斯顿棱镜，分出的s偏振光波作为参考光波，p偏振光波作为物光波；

步骤3：物光波和参考光波穿过一定起偏方向的检偏器后，到达图像采集器件靶面并发生离轴干涉，得到数字全息图。

有益效果

本发明提出的用于表面等离子体共振成像的共光路数字全息记录方法，只需在表面等离子体共振成像系统中加入少量的简单器件，物光波和参考光波便可以以共路的方式干涉而实现数字全息记录。所涉及的方法使实验系统结构简单紧凑，时间稳定性高，并且没有损失系统原有的有效视场。

附图说明

图1：是采用本发明所涉及的共光路数字全息记录方法的表面等离子体共振成像系统光路图；

图中：1-He-Ne气体激光器，2-光纤耦合装置，3-准直透镜，4-半波片，5-会聚透镜，6-消偏振分光棱镜，7-油浸物镜，8-Kretschmann结构，9-成像透镜，10-沃拉斯顿棱镜，11-偏振片，12-图像采集器件。

图2：是利用图1所示系统记录的数字全息图；

图3：是图1所示系统的时间稳定性。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明涉及的一种用于表面等离子体共振成像的数字全息记录系统如图1所示，包括：He-Ne气体激光器1，光纤耦合装置2，准直透镜3，半波片4，会聚透镜5，消偏振分光棱镜6，油浸物镜7，Kretschmann结构8，成像透镜9，沃拉斯顿棱镜10，偏振片11，图像采集器件12。

所述的一种用于表面等离子体共振成像的数字全息记录方法的工作流程如下：

He-Ne气体激光器1(波长为632.8nm)发出的线偏振光经光纤耦合装置2耦合进入光纤，再经准直透镜3、半波片4后变为45°偏振的平行光；该平行光经会聚透镜5、消偏振分光棱镜6反射后，在高数值孔径油浸物镜7(Nikon Plan Apo Lambda DM 100×NA 1.45)的后焦平面上会聚，穿过物镜后以平行光出射，进而以激发角θ入射到Kretschmann结构8上并诱发表面等离子体共振；反射光束经成像透镜9后进而通过沃拉斯顿棱镜10(68-820,Edmund Optics Inc.,USA)分光，其中分出的p偏振光波作为物光波，分出的s偏振光波因不能激发表面等离子体共振而不携带物光波信息，故而作为参考光波；物光波与参考光波经一定起偏方向的偏振片11后，以相同的偏振态到达图像采集器件12的靶面并发生离轴干涉，经曝光得到数字全息图，如图2所示。

利用上述系统，在未放置样品时以1幅/秒的帧频连续记录31幅全息图，对其进行数值重建得到相应的相位分布；将后30幅相位分布分别与第一幅相位分布作差，得到其相位差分布；在每一幅相位差分布中，随机选取同一位置的包含2500像素数的正方形区域，计算得到每个像素位置在30幅相位差分布中的标准差，对2500个标准差进行直方统计，如图3所示。标准差的数学期望为0.61度，说明系统的相位波动较小，时间稳定性较高。

Claims (1)

1.一种用于表面等离子体共振成像的数字全息记录方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：一束偏振方向为45°的线偏振平行光以激发角θ入射到Kretschmann结构上发生表面等离子体共振；

步骤2：出射光波经成像透镜后继续通过具有一定分束角的沃拉斯顿棱镜，分出的s偏振光波作为参考光波，p偏振光波作为物光波；

步骤3：物光波和参考光波穿过一定起偏方向的检偏器后，到达图像采集器件靶面并发生离轴干涉，得到数字全息图。

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