CN1156683C - 相移干涉表面等离子体波显微镜 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种相移干涉表面等离子体波显微镜，该显微镜包括激光器、扩光束器、起偏器、传感部件、透镜、CCD成像系统、计算机、1/4波片和检偏器。激光器发出的激光通过扩光束器和起偏器后成为含有P波和S波的平行光束，经传感部件的光反射面反射后出射，经透镜成像在CCD成像系统上，其中1/4波片和捡偏器组成相位补偿器，对通过透镜后的P波和S波进行相位补偿，当检偏器旋转0—180°时，得到相位补偿0—360°，CCD成像系统得到各种不同相位补偿的图像，最后由计算机处理显示出具有振幅信息和相位信息的图形。本发明设计的显微镜的优点是将相移干涉技术和表面等离子体波技术结合起来，从而不仅可以得到象r_p(x，y)而且可以得到象φ_p(x，y)。

Description

相移干涉表面等离子体波显微镜

技术领域

本发明涉及一种相移干涉表面等离子体波显微镜，属显微测量技术领域。

背景技术

表面等离子体波显微镜(Surface plasmon microscopy，简称SPM)是一种对折射率变化非常灵敏的显微成象系统，其灵敏度远优于相衬显微镜，更不必说其他显微镜了。SPM的另一个优点是可以在线实时成象，这一优点也是其他显微镜难于相比的。因而SPM在薄膜领域得到越来越多的应用，特别是在生物领域。不仅可以观察活体，而且可以观察动态过程。

SPM是利用P波激发表面等离子体波，其光反射系数 是靠近激发表面介质折射率n的函数，以此作为成象的原理。 通常是复数，当介质有结构时，折射率有一分布，记作n(x，y)，其反射系数可以记作

用CCD对反射光成象，得到象

$I(x,y)=I_0{\tilde{r}}_p(x,y){{\tilde{r}}_p}^{*}(x,y)=I_{0}R(x,y)---\left(1\right)$

由于表面等离子体波是一个共振激发过程，n的微小变化可引起

的巨大变化，所以SPM对折射率的变化非常灵敏。

从(1)式不难看出，虽然

是复数，可以记作：

但在原有的SPM技术中成象只反应 $R(x,y)=r_p^2(x,y)$ 的特性，而失去了相位(x，y)的特性。

毫无疑问，(x，y)同样带有待测结构的信息。这就是说已有SPM技术没有充分收集激发表面等离子体波技术可以得到的信息。

发明内容

本发明的目的是设计一种相移干涉表面等离子体波显微镜，在通常的SPM技术中加进相移干涉技术，通过改变参考光的相位，对n(x，y)多次成象。从这些多次成象中可以得到象r_p(x，y)和象(x，y)，不仅得到了(x，y)的信息，而且理论上r_p(x，y)信息的信噪比也比已有技术有所改善。

本发明设计的相移干涉表面等离子体波显微镜(Phase shift Intesferometry SurfacePlasmon Microscopy，简称PSISPM)，包括激光器、扩光束器、起偏器、表面等离子体波激发系统、透镜、CCD成像系统、计算机，其特征在于还包括1/4波片和检偏器，激光器发出的激光通过扩光束器和起偏器后成为含有P波和S波的平行光束，该光束经表面等离子体波激发系统的光反射面反射后出射，经透镜成像在CCD成像系统上，其中1/4波片和检偏器组成相位补偿器，对通过透镜后的P波和S波进行相位补偿，当检偏器旋转0-180°时，得到相位补偿0-360°，CCD成像系统得到各种不同相位补偿的图像，最后由计算机处理显示出具有振幅信息和相位信息的图形。

本发明设计的相移干涉表面等离子体波显微镜的优点是将相移干涉技术和表面等离子体波技术结合起来，从而不仅可以得到象r_p(x，y)而且可以得到象_p(x，y)。

附图说明

图1为已有技术结构示意图。

图2为本发明设计的相移干涉表面等离子体波显微镜装置的结构示意图。

图1和图2中，1是激光光源，2是扩光束器，3是起偏器，4是表面等离子体波激发系统即传感部件，5是透镜，6是1/4波片，7是检偏器，8是CCD成象系统，9是计算机。

具体实施方式

如图2所示，本发明设计的相移干涉表面等离子体波显微镜，包括激光器1、扩光束器2、起偏器3、传感部件4、透镜5、CCD成像系统8、计算机9，还包括1/4波片6和检偏器7。激光器1发出的激光通过扩光束器2和起偏器3后成为含有P波和S波的平行光束，该光束经传感部件4的光反射面反射后出射，经透镜5成像在CCD成像系统8上，其中1/4波片6和检偏器7组成相位补偿器，对通过透镜后的P波和S波进行相位补偿，当检偏器旋转0-180°时，得到相位补偿0-360°，CCD成像系统得到各种不同相位补偿的图像，最后由计算机处理显示出具有振幅信息和相位信息的图形。

如果去掉图2中的1/4波片和检偏器，即为已有的SPM系统，所以将已有的SPM系统改造为PSISPM系统非常简单，只要加进一个1/4波片和一个检偏器就可以了。但是有一点值得指出：在SPM系统，入射波只含P波，在PSISPM系统中，入射波即含P波又含S波。

本发明相移干涉表面等离子体波显微镜光学原理如下：

激光器发出的单色光，经扩光束系统变成宽光束平行的光，经起偏器变成线偏振光。此线偏振光即含P波又含S波。由于S波不能激发表面等离子体波，所以它的反射系数

其中r_s＝1，_s是一个常数，同待测样品的折射率近似无关。P波的反射系数如(1)式所示。1/4波片的快轴同P波成45°角，将P波和S波变成圆偏振光。如果检偏器的检偏方向同P波成θ角，则薄膜任意点x，y成象的结果为

(3)式的结果等价于E_s波和 波干涉，但有相移 由于π/2是一个常数，所以I(x，y，θ)的值同相移θ有关。改变θ的值，(3)式的结果等价于一个相移干涉仪。所以本系统称作PSISPM系统。

在其他不变的情况下，改变θ，I(x，y，θ)是一个周期为π的类似正弦函数，其中最大值为(r_pE_p+E_s)²，最小值为(r_pE_p-E_s)²。

(3)式中E_s/E_p的比值可以从起偏器的方位角α知道。

                        E_s/ E_p＝tgα

改变α的值，可以改变E_s/E_p。通常可选择E_s/E_p为0.5左右。根据测量的I(x，y，θ)和θ的多组数据，用最小二乘法拟合可以求得r_p(x，y)和_p(x，y)-_s。由于_s是一个常数，可以事先算出。实际可以得到_p(x，y)。由于数据是由多组数据拟合得到的。所以不仅会得到(x，y)的信息，而r_p(x，y)比单次测量的SPM方法要好。

图2所示原理装置即为本发明的一个实施例的光学系统图。机械部分按惯例没有给出，其参数如下：激光器用He-Ne激光器即可以，功率约为1.5-3mW即可。扩光束系统为一倒置望远镜。其光束的大小根据研究对象确定。通常光束直径约为2-4mm。起偏器选用吸收片偏振器即可。由于平行玻璃片为现成产品，所以激发棱镜的折射率应同平行玻璃片相一致。平行玻璃片的金膜最好用薄膜系列，即膜厚d＜d_c。d_c为理论上反射系数可以为零的金膜厚度。d取40-45nm即可。1/4波片最好用零级1/4波片。检偏器最好用吸收偏振片。棱镜偏振器在旋转时可能引起光束的平移。CCD最好用分辨率较高的。起偏器3和检偏器7可以旋转。并有定位指示，机械系统有一个-2精密转台。

显微镜使用中的调节过程如下：

1.调节起偏器，使入射光只有P波，这时系统相当于SPM系统，按SPM系统调节-2转台，得到SPM象。

2.调节起偏器，使tgα＝27°或附近，使入射光即有P波又有S波。

3.转动检偏器，每转一个角度得到一个I(x，y，θ)的象，得到多组数据[θ，I(x，y，θ)]。

4.对数据[θ，I(x，y，θ)]进行处理，即可以得到r_p(x，y)和_p(x，y)。

Claims (1)

1、一种相移干涉表面等离子体波显微镜，该显微镜包括激光器、扩光束器、起偏器、表面等离子体波激发系统、透镜、CCD成像系统、计算机，其特征在于还包括1/4波片和检偏器，激光器发出的激光通过扩光束器和起偏器后成为含有P波和S波的平行光束，该光束经表面等离子体波激发系统的光反射面反射后出射，经透镜成像在CCD成像系统上，其中1/4波片和检偏器组成相位补偿器，对通过透镜后的P波和S波进行相位补偿，当检偏器旋转0-180°时，得到相位补偿0-360°，CCD成像系统得到各种不同相位补偿的图像，最后由计算机处理显示出具有振幅信息和相位信息的图形。

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