CN115452774B - 一种基于多向激发的高分辨率表面等离子体共振全息显微成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于多向激发的高分辨率表面等离子体共振全息显微成像方法。利用光束偏折方向控制装置实现激发光波沿任意照射方向传播，并借助光束偏振态调控装置同步控制激发光波的偏振态，实现沿任意面内方向传播表面等离子体波的激发。利用s偏振光波不能激发表面等离子体共振的特点，实现物光波和参考光波的共路式数字全息图记录，进而通过数值计算获得多向激发下的表面等离子体共振强度和相位图像。最后经图像融合获得分辨率增强的成像结果。
Description
技术领域
本发明涉及光学显微成像领域，尤其涉及基于表面等离子体共振的近场显微成像和高分辨率光学显微成像领域。
背景技术
利用发生表面等离子体共振(Surface plasmon resonance,SPR)时金属表面近场区域产生的表面等离子体波(Surface plasmon wave,SPW)与待测样品的相互作用，通过探测反射光波信息可以实现样品相关待测物理参量的高精度解调。SPR分析技术最初被广泛应用于光学传感领域。与光学成像系统相结合的SPR成像技术，可以获得较高的分析通量。进一步，基于高数值孔径油浸物镜激发的表面等离子体共振显微术(Surface plasmonresonance microscopy,SPRM)，可以获得无畸变SPR显微图像。传统SPRM通过探测发生SPR时反射光波的强度信息来解调待测样品参量。由于发生SPR时反射光波的相位随样品参量发生单调变化，而且基于相位探测的方式具有比强度探测更高的灵敏度，因此基于数字全息术的物光波复振幅探测能力，表面等离子体共振全息显微术(Surface plasmonresonance holographic microscopy,SPRHM)被提出。SPRHM可以同时进行SPR强度和相位显微成像，提高了信息获取的维度并可实现多参量信息的同时解调(Anal.Chem.87,4124–4128(2015))。
然而，由于与待测样品发生相互作用的SPW在金属膜表面的横向传播特性，样品的SPR图像在SPW传播方向有明显的“拖尾”现象，成像分辨率较低，仅为数微米甚至几十微米，严重影响了SPRHM在光学显微成像和近场测量领域的应用前景。由于SPW的横向传播仅影响沿其传播方向的成像分辨率，而与SPW传播方向相垂直方向的分辨率不受影响，如果激发沿不同面内方向传播的SPW以与样品发生相互作用，将获取的SPR图像进行合成，便有望消除SPW横向传播对成像分辨率的影响。目前为止，研究者提出了两种基于双向SPW传播的SPRHM技术以提高成像分辨率(Opt.Lett.46,1604–1607(2021)、Opt.Laser.Eng.153,107000(2022))。但是，这两种技术中，物光波和参考光波以非共路的方式到达探测器实现干涉记录，稳定性较差；更重要的是，双向激发方式在提高分辨率方面能力有限。理想的情形是可以激发沿任意面内方向传播的SPW，同时，物光波和参考光波以共路的方式进行干涉而实现全息图记录，进而获得多幅SPR强度和相位图像。
发明内容
要解决的技术问题
为避免现有技术的不足之处，实现沿任意面内方向传播SPW的激发，同时以共光路的方式实现全息图记录，本发明提出一种基于多向激发的SPRHM成像方法，可以获得高分辨率SPR强度和相位图像。
技术方案
本发明的思想在于：利用光束偏折方向控制装置实现激发光波沿任意照射方向传播，借助光束偏振态调控装置同步控制激发光波的偏振态，使得在任意照射方向下，激发光波均为包含s偏振和p偏振分量的线偏振光，从而由其中的p偏振分量激发可沿任意面内方向传播的SPW，同时，利用s偏振光波不能激发SPR的特点，实现物光波和参考光波的共路式数字全息图记录，进而通过数值计算获得多向激发下的SPR强度和相位图像。最后经图像融合获得分辨率增强的成像结果。
一种基于多向激发的高分辨率表面等离子体共振全息显微成像方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1：一束线偏振平行光以一定角度入射到表面等离子体共振激发结构上激发表面等离子体波，被表面等离子体共振激发结构反射的光波经偏振分光器件后，通过具有一定起偏方向的偏振器，被分开的两束光波到达光电成像器件靶面后发生干涉，得到离轴数字全息图，继而利用光学衍射原理，数值重建得到表面等离子体共振强度和相位图像；
所述表面等离子体共振激发结构包含玻璃基底、金属层和介质样品层；
所述线偏振平行光应包含p偏振和s偏振分量，其中p偏振分量激发表面等离子体共振并被样品调制，作为物光波，s偏振分量无法激发表面等离子体共振，作为参考光波；
所述偏振分光器件在可见光波段的分束角为2～3度；
所述偏振器的起偏方向选取以使得全息图干涉条纹衬比度最大为原则；
步骤2：利用光束偏折方向控制装置改变激发光波在表面等离子体共振激发结构上的照射方向，同时利用光束偏振态调控装置同步控制激发光波的偏振态，在表面等离子体共振激发结构表面一周范围内，每间隔α度激发沿该面内方向传播的表面等离子体波，并通过步骤1得到该情形下的表面等离子体共振强度和相位图像；
所述光束偏折方向控制装置是振镜系统，或数字微镜阵列，或空间光调制器；
所述光束偏振态调控装置是涡旋半波片，或电控可变延迟波片，或电控旋转波片；
所述激发光波的照射方向改变时，应保证激发光波的入射角满足表面等离子体共振激发条件；
所述激发光波的偏振态改变时，应保证在任何照射方向下激发光波的强度保持不变，且所包含的p偏振和s偏振分量的振幅比保持不变；
步骤3：将各激发方向下得到的表面等离子体共振强度和相位图像分别进行求均值，得到无拖尾的高分辨率表面等离子体共振强度和相位图像；
所述求均值的方法为：其中，Ii为每个激发方向下获取的表面等离子体共振强度或相位图像，I为分辨率增强的图像，α为不大于360且可被360整除的正数。
有益效果
本发明提出的利用光束偏折方向控制装置和偏振态调控装置，以及结合偏振分光器件，即可激发沿不同面内方向传播的表面等离子体波，同时以共光路干涉的方式记录全息图并重建得到表面等离子体共振强度和相位图像，最后经多图像融合获得分辨率增强的成像结果。所涉及的方法借助简单的光学元件，便可得到分辨率增强的表面等离子体共振强度和相位图像，从而弥补当前技术方法的不足。
附图说明
图1：是本发明所涉及的多向激发表面等离子体共振全息显微术光路图；
图中：1-半波片，2-二维振镜装置，3-凸透镜一，4-消偏振分光棱镜，5-一阶涡旋半波片，6-凸透镜二，7-凸透镜三，8-反射镜，9-油浸显微物镜，10-表面等离子体共振激发装置，11-凸透镜四，12-偏振分光器件，13-偏振片，14-光电成像器件。
图2：是本发明所涉及的沿不同照射方向传播的激发光波入射角示意图；
图3：是本发明所涉及的沿不同照射方向传播的激发光波偏振态示意图；
图4：是本发明所涉及的利用偏振分光器件实现离轴数字全息图记录的示意图。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
本发明涉及的一种基于多向激发的高分辨率表面等离子体共振全息显微成像方法的实验光路如附图1所示，包括：半波片1，二维振镜装置2，凸透镜一3，消偏振分光棱镜4，一阶涡旋半波片5，凸透镜二6，凸透镜三7，反射镜8，油浸显微物镜9，表面等离子体共振激发装置10，凸透镜四11，偏振分光器件12，偏振片13，光电成像器件14。其中，二维振镜装置2为光束偏折方向控制装置，由计算机提供控制信号；一阶涡旋半波片5、凸透镜二6、凸透镜三7构成激发光波偏振态调控装置；油浸显微物镜9、凸透镜四11、偏振分光器件12、偏振片13和光电成像器件14构成数字全息显微记录装置。
所述的一种基于多向激发的高分辨率表面等离子体共振全息显微成像方法工作流程如下：
波长为632.8nm的线偏振平行光被半波片1调节为45°偏振，进而经旋转轴正交的二维振镜装置2反射后，以一定偏折角入射到凸透镜一3的偏离中心位置上。经过凸透镜一3、凸透镜二6组成的4f系统后，入射光波被凸透镜三7会聚在油浸显微物镜9的后焦平面上(如附图2所示)。会聚光波穿过油浸显微物镜9后变为准直光波，以一定角度θ入射到表面等离子体共振激发装置10上并实现宽场照明。激发光波的入射角θ由入射光波在油浸显微物镜后焦平面的会聚点与后焦平面和油浸显微物镜主光轴交点之间的距离决定，通过控制二维振镜装置2，可以使入射光波在油浸显微物镜9后焦平面上的面内方向φ任意改变(如附图3所示)。
为保证入射光波在任意面内方向φ下均可激发表面等离子体共振，在二维振镜装置2的共轭平面，即透镜一3的后焦平面上放置一阶涡旋半波片5，一阶涡旋半波片5上快轴方向的空间分布如附图1中插图所示(黑色箭头)。由于凸透镜二6和凸透镜三7亦构成4f系统，一阶涡旋半波片5所在平面与油浸显微物镜9的后焦平面互为共轭平面。当偏振方向为45°的线偏振会聚光经一阶涡旋半波片5调制后，不同面内方向φ上的入射光波将在油浸显微物镜9的后焦平面呈现如附图3所示的偏振态分布，即在任意面内方向下均为包含s偏振和p偏振分量的线偏振光。其中，p偏振分量光波激发表面等离子体共振，携带待测样品信息而作为物光波；s偏振分量光波不激发表面等离子体共振，从而作为参考光波。经表面等离子体共振激发装置10反射的光波再次经过油浸显微物镜9、凸透镜三7、凸透镜二6和一阶涡旋半波片5。由于任意面内方向φ下的激发光波和反射光波对称地穿过一阶涡旋半波片5，而一阶涡旋半波片5上对称位置的快轴方向相互垂直，使得任意面内方向φ下反射光波中的s、p偏振分量被调制为竖直、水平偏振。最后，如附图4所示，偏振分光器件12将反射光波的竖直、水平两个正交偏振分量，即物光波和参考光波以比较小的角度分开，再经过偏振片13后使二者相互干涉，并形成离轴数字全息图，从而实现任意面内方向表面等离子体波激发和宽场照明下的物参光共路干涉。
通过精确控制二维振镜装置2，依次激发沿不同面内方向传播的表面等离子体波，并采集对应激发状态下的数字全息图，经二次曝光法和卷积法数值重建后，获得一系列被测样品的表面等离子体共振强度和相位图像。采用求均值的方式进行图像合成，使不同激发方向下图像的“拖尾”相互平均，可以提高图像的衬比度并实现分辨率增强。分别对强度图像和相位图像合成后，便可同时获得分辨率增强的表面等离子体共振强度和相位图像。
Claims (1)
1.一种基于多向激发的高分辨率表面等离子体共振全息显微成像方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1：一束线偏振平行光以一定角度入射到表面等离子体共振激发结构上激发表面等离子体波，被表面等离子体共振激发结构反射的光波经偏振分光器件后，通过具有一定起偏方向的偏振器，被分开的两束光波到达光电成像器件靶面后发生干涉，得到离轴数字全息图，继而利用光学衍射原理，数值重建得到表面等离子体共振强度和相位图像；
所述表面等离子体共振激发结构包含玻璃基底、金属层和介质样品层；
所述线偏振平行光应包含p偏振和s偏振分量，其中p偏振分量激发表面等离子体共振并被样品调制，作为物光波，s偏振分量无法激发表面等离子体共振，作为参考光波；
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所述偏振器的起偏方向选取以使得全息图干涉条纹衬比度最大为原则；
步骤2：利用光束偏折方向控制装置改变激发光波在表面等离子体共振激发结构上的照射方向，同时利用光束偏振态调控装置同步控制激发光波的偏振态，在表面等离子体共振激发结构表面一周范围内，每间隔α度激发沿该面内方向传播的表面等离子体波，并通过步骤1得到该情形下的表面等离子体共振强度和相位图像；
所述光束偏折方向控制装置是振镜系统，或数字微镜阵列，或空间光调制器；
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所述激发光波的照射方向改变时，应保证激发光波的入射角满足表面等离子体共振激发条件；
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Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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|---|---|---|---|---|
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| CN113125387A (zh) * | 2021-04-14 | 2021-07-16 | 西北工业大学 | 一种增强表面等离子体共振相位成像横向分辨率的方法 |
| CN114858759A (zh) * | 2022-05-12 | 2022-08-05 | 西北工业大学 | 一种测量低维材料面内光学各向异性的方法 |
Non-Patent Citations (1)
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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