基于金屬介質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)的熒光光場調(diào)控及成像研究.pdf

1、熒光標記和檢測技術(shù)由于其高靈敏度一直以來是生命科學(xué)領(lǐng)域最廣泛使用的研究手段之一。近年來多種超分辨熒光成像方法的提出，例如受激輻射損耗技術(shù)、光激活定位顯微技術(shù)等，更是將熒光技術(shù)在超分辨成像上的應(yīng)用發(fā)揮到極致。為了得到更強的熒光信號，多種功能性熒光光子器件被設(shè)計制造以提高熒光基團的激發(fā)和收集效率，包括光學(xué)天線結(jié)構(gòu)和多層膜功能基底。這些熒光光子結(jié)構(gòu)多為通過熒光基團與結(jié)構(gòu)上近場光學(xué)模式的相互作用來調(diào)控?zé)晒饣鶊F的輻射光場參量，包括輻射方向、強度、

2、偏振、波長等。本論文主要研究多層膜功能基底特別是金屬介質(zhì)平板波導(dǎo)基底與共焦掃描成像系統(tǒng)、泄露輻射顯微成像系統(tǒng)相結(jié)合后產(chǎn)生的熒光出射的新現(xiàn)象，包括高耦合效率的共焦熒光成像以及熒光無衍射貝塞爾光束的生成，并基于這兩套成像系統(tǒng)發(fā)展出兩種新型的熒光探測手段，分別是準近場共焦熒光探測和泄露輻射離焦熒光探測。這些研究對利用功能性熒光光子器件實現(xiàn)熒光成像、熒光光束整形等具有啟發(fā)意義，并為新型功能性熒光光子器件的設(shè)計和表征提供了新的思路和手段。

3、　　本論文的主要研究工作如下:
　　1.實驗研究了金屬介質(zhì)平板波導(dǎo)結(jié)構(gòu)上導(dǎo)波模式激發(fā)的偏振依賴特性，通過棱鏡耦合柱對稱偏振光束激發(fā)結(jié)構(gòu)上的波導(dǎo)模式，該柱對稱偏振光束由液晶偏振轉(zhuǎn)換器生成，其可以通過改變加載的電壓實現(xiàn)出射光偏振從徑向到切向的連續(xù)變化，從而動態(tài)調(diào)控結(jié)構(gòu)上導(dǎo)波模式的場分布。通過光刻膠記錄了金屬介質(zhì)平板波導(dǎo)上導(dǎo)波模式的干涉圖樣，從而實現(xiàn)了其上模式傳播參數(shù)的直接測量。為了研究該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)作為共焦熒光成像基底的可能性，我們理論分

4、析了該結(jié)構(gòu)上導(dǎo)波模式的聚焦特性，得出橫磁模具有空間尺度更小的場聚焦焦斑的結(jié)論。通過物鏡后焦面成像的手段，實現(xiàn)了波導(dǎo)上橫磁模的選擇激發(fā)和聚焦，并用該聚焦場進行共焦掃描成像，實現(xiàn)了高耦合效率的共焦熒光像。
　　2.實驗研究了共焦掃描成像對金屬介質(zhì)平板波導(dǎo)準近場耦合熒光光場的表征。實驗中設(shè)計了兩種金屬介質(zhì)平板波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，一種為薄介質(zhì)層，支持單一的表面等離子體模式;另一種為厚介質(zhì)層，可支持多個導(dǎo)波模式。通過共焦掃描成像，測量了波導(dǎo)結(jié)構(gòu)下層幾

5、十微米范圍內(nèi)的場切片像。這些場切片像顯示這種方法在具有高角度分辨率的同時，還可以觀測到結(jié)構(gòu)上表面非耦合區(qū)熒光基團所發(fā)熒光的直接透射以及結(jié)構(gòu)準近場范圍內(nèi)多模耦合出射的模式重疊等一些無法被傳統(tǒng)的遠場表征手段（例如后焦面成像）呈現(xiàn)的現(xiàn)象。所得的場分布結(jié)構(gòu)被基于時域有限元差分法模擬的場分布所證實。這種準近場的探測手段彌補了遠場探測手段的不足，為新型熒光光子器件的設(shè)計和表征提供了新的手段。
　　3.提出了基于泄露輻射顯微系統(tǒng)的離焦成像的概念

6、。這里的離焦包括物鏡離焦和探測器離焦。物鏡離焦是指通過物鏡遠離熒光耦合結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)基底層內(nèi)耦合熒光出射場場分布的成像。實驗中，我們測量了最常用的玻璃基片和四種多層膜熒光光子器件的物鏡離焦像，分別是表面等離子體結(jié)構(gòu)、多模金屬介質(zhì)平板波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、一維光子晶體結(jié)構(gòu)以及Tamm結(jié)構(gòu)，得到了這些結(jié)構(gòu)下層幾十微米范圍內(nèi)的熒光出射場分布。探測器離焦是指通過成像探測器在系統(tǒng)前焦面像到后焦面像之間的移動來探測熒光像的變化，其可以實現(xiàn)樣品實空間分布與其頻譜

7、信息的一對應(yīng)。通過該對應(yīng)關(guān)系，我們實現(xiàn)了表面等離子體基底上納米量級介質(zhì)膜厚的并行測量。
　　4.通過利用表面等離子體耦合熒光出射的波矢分布與貝塞爾光束波矢分布的相似性，我們通過泄露輻射4f成像系統(tǒng)對出射光場進行了變換，并成功生成了熒光貝塞爾光束。所生成的無衍射光束為1階徑向貝塞爾光束，其可以通過往光路中插入螺旋位相片的方式，轉(zhuǎn)變?yōu)橹靼陮挾雀〉?階貝塞爾光束。由于結(jié)構(gòu)上每一個獨立的熒光基團都可以生成一個獨立的貝塞爾光束，這種方法可

8、以實現(xiàn)多個無衍射熒光光束的同時生成。
　　本論文的創(chuàng)新點主要包括:
　　1.成功地將新型的多模金屬介質(zhì)平板波導(dǎo)結(jié)構(gòu)應(yīng)用到共焦掃描熒光成像中，并實現(xiàn)了比表面等離子體結(jié)構(gòu)基底強三倍的共焦熒光像。通過對結(jié)構(gòu)中橫磁模的選擇激發(fā)和聚焦，使得在得到高耦合效率熒光像的同時，保持了共焦成像系統(tǒng)的分辨率。這里所用的金屬介質(zhì)平板波導(dǎo)基底由于其厚介質(zhì)層，可以有效規(guī)避金屬的淬滅效應(yīng)，從而使得其上熒光基團具有更長的有效發(fā)光時間。
　　2.提出了

9、基于泄露輻射顯微系統(tǒng)的離焦熒光成像的概念。該離焦像可以直接反應(yīng)耦合結(jié)構(gòu)下層微米區(qū)域內(nèi)的熒光場耦合情況。其中，探測器離焦所得離焦像，可以構(gòu)建樣品實空間像面與后焦面傅里葉信息的對應(yīng)關(guān)系，從而可以實現(xiàn)光學(xué)參數(shù)，例如薄膜厚度、折射率等的并行探測。這里我們以薄膜厚度為例，實現(xiàn)了四個厚度差別在10nm左右的薄膜膜厚的精確測量。
　　3.實現(xiàn)了將通常理解的非相干的熒光光束整形為無衍射的貝塞爾光束，所生成的光束可以保持其無衍射傳播特性超過100毫