[發明專利]基于表面等離子體耦合發射效應的光場成像系統

在審

• 申請號: 201510419513.0
• 申請日: 2015-07-16
• 公開（公告）號: CN105181652A
• 公開（公告）日: 2015-12-23
• 發明（設計）人: 杜路平;楊愛萍;袁小聰
• 申請（專利權）人: 深圳大學
• 主分類號: G01N21/552
• 分類號: G01N21/552
• 代理公司: 深圳市恒申知識產權事務所(普通合伙) 44312
• 代理人: 陳健

本發明涉及一種基于表面等離子體耦合發射效應的光場成像系統。該系統包括光源單元、激光投射單元、檢測單元、計算及控制系統、載物臺；載物臺上放置有載玻片，所述光源單元產生激光并將其耦合到激光投射單元，激光投射單元將激光投射到載玻片上；其特征在于，載玻片的受光面覆蓋有金屬納米薄膜，該金屬納米薄膜表面吸附有一金屬納米顆粒；當該金屬納米顆粒位于光場內時，該金屬納米顆粒產生散射光，該散射光中滿足SP波矢匹配條件的成分由于表面等離子體耦合發射效應，在表面等離子體共振角產生SPCE信號；計算及控制系統用于通過移動載物臺使金屬納米顆粒位于激光的光場內的不同位置，并通過檢測單元檢測金屬納米顆粒位于各位置時所產生的SPCE信號的強度，并據此生成光場的光強分布。

技術領域

本發明涉及光學成像技術領域，尤其涉及一種基于表面等離子體耦合發射效應的光場成像系統。

背景技術

光學顯微成像作為一種觀測物體微小結構的手段，在近代科學的發展中起到舉足輕重的作用。尤其在生物、醫學等領域，光學顯微鏡的發明與改進使得人們對生物體的觀測邁入細胞水平，推動了人們對生命現象的研究與認識。然而，由于光學衍射極限的存在，常規的光學顯微鏡的分辨率并不能被無限提高，而是被限制在半波長以上。以照明光源為可見光為例，其最高分辨率一般在250nm-300nm范圍內。掃描近場光學成像技術從物理上克服了伴隨常規光學顯微鏡的衍射極限的束縛。其基本思路是將一個微小物體控制在距離物體表面納米尺度的范圍內(近場范圍),利用它將束縛在物體表面的隱失場信息轉換成能夠在遠場被接收的傳播場。通過精確的掃描與反饋技術，得到被測物體的超分辨成像。然而目前廣泛應用的近場光學顯微技術也存在一些缺陷與不足，尤其當它用作聚焦光場成像時，主要表現在以下三個方面：1)信號光與激發光分離困難；2)信號光收集效率低；3)近場探針具有單一的光偏振選擇性。

首先，如何將由探針產生的微弱信號光從背景光中分離出來是近場光學顯微技術的關鍵問題，尤其當信號光在空間和光譜上都與照明光重疊時(例如樣品產生的瑞利散射光信號)。對于孔徑型掃描近場光學顯微鏡而言，其光纖探頭無論對樣品表面的隱失場還是背景照明光都有一定的耦合響應。因此由光纖探頭檢測到的光信號始終包含有背景光的信息，降低系統的信噪比。散射型掃描近場光學顯微鏡可以通過斜入射激發以及引入鎖相放大器的方式在一定程度上降低背景光的影響。然而這種激發方式通常需要長工作距離(一般為低數值孔徑)的物鏡接收信號。這會降低信號的收集效率。同時鎖相放大器的引入也會增加系統的復雜性。

其次，目前的探針系統對信號光的收集效率較低，這直接影響系統的掃描成像時間。以孔徑型光纖探針為例，光耦合進探針的效率一般為10^-6-10^-4。雖然通過增加孔徑的尺寸可以有效提高耦合效率，但這同時也會引入很強的背景光信號，而且會犧牲成像系統的分辨率。對于散射型探針而言，束縛在樣品表面的隱失場由于探針的作用被轉換成傳播的散射光信號。一方面散射光的發射具有很廣的空間角度分布；另一方面，接收散射光信號時通常又需要長工作距離的物鏡。這兩方面共同導致了信號光的低收集效率。

最后，目前的近場光學探針對光的偏振具有單一的選擇性。由于束縛在樣品表面的隱失場具有矢量性，而且其橫向或縱向分量的比重與樣品的表面形態有很高的相關性，這種單一的偏振選擇性一方面會降低系統的信號轉化與收集能力，另一方面也會使得樣品的近場光學成像信息不完整。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是，提供一種基于表面等離子體耦合發射效應的光場成像系統，以解決傳統近場光學顯微鏡信號光與激發光分離困難的缺陷。本發明是這樣實現的：