一種利用超衍射離軸照明技術的納米表層光學顯微成像器件及成像方法
2023-07-06 15:23:41
專利名稱：一種利用超衍射離軸照明技術的納米表層光學顯微成像器件及成像方法
技術領域：
本發明屬於顯微成像領域，涉及ー種利用超衍射離軸照明技術的納米表層光學顯微成像方法。
背景技術：
光學顯微成像技術是觀 測微觀世界的一種有效手段，其高效、無損的優點使其在各領域，尤其是在生物、醫學、材料研究領域有著廣泛的應用。然而，普通光學顯微鏡使用的是場光源，在觀察樣品表面形貌時，樣品內部結構也會被照明並產生衍射或散射，這將嚴重影響顯微鏡對樣品表層結構(如細胞壁、蛋白質分子壁等)的成像質量。為了克服普通光學顯微鏡對樣品表層成像模糊的缺點，共聚焦顯微鏡利用點光源照明，點探測器收集的方法，成功消除了在探測樣品時產生的多種散射光，實現了樣品光學橫斷面的清晰成像。然而，這種成像質量的改進是利用減小顯微鏡視場來獲得的，雖然可通過掃描機制來進行補償，但這將導致其結構複雜，工作效率低等缺點。如果光源僅對樣品的表層進行照明，而不進入樣品內部，則可避免樣品內部散射光對表層結構成像的影響，提高表層成像質量。根據這一思想，研究人員提出將傳統的載玻片替換為ー個稜鏡，並使照明光在稜鏡底面發生全反射，利用產生的消逝波對樣品表層進行照明，即可通過普通光學顯微鏡觀測到較清晰的表層成像。然而，該方法中的消逝波在樣品表層的穿透深度由稜鏡的折射率和照明光入射角共同決定。由於稜鏡材料的限制，消逝波穿透深度最小可達到200nm左右，這對於觀測深度200nm以內的表層結構仍然會存在一定程度的散射幹擾。因此，為了清晰的觀察到深度200nm甚至更薄的表層結構信息，需要構建一種表層穿透深度更小的照明光源。
發明內容
本發明要解決的技術問題是針對普通光學顯微鏡對樣品表層成像模糊的問題，提出ー種利用超衍射離軸照明技術的納米表層光學顯微成像方法，利用該方法可提供200nm及以下深度的表層照明，用於提高這一尺度的表層光學顯微成像的質量。本發明解決其技術問題所採用的技術方案是ー種利用超衍射離軸照明技術的納米表層光學顯微成像器件，該器件從下到上依次包括—透明基底層；—納米結構層，用於對照明光進行空間頻率和偏振方向調製的納米結構；一 PMMA(聚甲基丙烯酸甲酷，Polymethylmethacrylate簡稱PMMA)填充層，用於平整化納米結構表面的PMMA填充層；一金屬/介質多層膜層，用於對不同空間頻率諧波進行高通濾波的金屬/介質多層膜。優選的，所述納米結構層的尺寸和間距不大於照明光波長；所述納米結構層的材料為不透光材料，可以為金屬，也可以為介質；所述納米結構層的形狀可以為規則的幾何體、或不規則的任意面型；所述納米結構層的分布可以是均勻的、或非均勻的，可以是ー維的、或ニ維的。優選的，所述PMMA填充層的上表面相對納米結構層上表面的厚度為10 30nm。優選的，金屬/介質多層膜層中的金屬可以為金、銀、鋁等良導體材料，介質可以為Si02、Al203等低損耗光學膜層材料 ；所述金屬/介質多層膜層為金屬/介質交替膜層，各膜層厚度範圍為IOnm 30nm，各層膜厚可以相等，也可以不相等。根據照明光強需要，金屬/介質多層膜的總層數2層或更多層。另外，本發明提供ー種利用超衍射離軸照明技術的納米表層光學顯微成像方法，照明光從上述器件的透明基底層背面入射，經過納米結構層對其空間頻率和偏振方向的調製後進入金屬/介質多層膜層進行高頻濾波，最終在金屬/介質多層膜層的上表面形成局域在5 200nm深度範圍內的消逝光場，被消逝光場照明的待測樣品表層區域可以被光學顯微鏡或光譜儀進行分析檢測。優選的，所述照明光可以為紫外到可見光範圍的寬光譜光源或者雷射光源。優選的，改變所述納米結構層的尺寸和間距，可以調節多層膜表面消逝光場的空間頻率和強度分布。優選的，當所述納米結構層的材料為金屬吋，改變納米結構層的分布可以調節多層膜表面消逝光場的偏振方向和空間分布。優選的，改變所述金屬/介質多層膜層中的金屬材料和介質材料或者改變金屬膜層與介質膜層的厚度之比，可以調整高通濾波時的截止頻率。優選的，改變所述金屬/介質多層膜層中的金屬材料和介質材料，或者改變金屬膜層與介質膜層的厚度之比、層數，可以調整高通濾波時的截止頻率，從而調節多層膜表面消逝光場在樣品表層的作用深度，調節範圍5nm 200nm。優選的，所述被消逝光場照明的待測樣品可直接利用光學顯微鏡進行觀測，或通過激發樣品螢光，經濾色片濾光後再由光學顯微鏡進行觀測，或通過激發樣品斯託克斯散射光，經濾色片濾光後再由拉曼光譜儀進行分析檢測。本發明的原理在於當一束光從基底背面入射至納米結構，其振幅將受到納米結構的調製，並被激發出各種不同空間頻率的諧波成分。如果所述納米結構的材料為金屬，且呈一定規律的分布排列，則照明光中沿光柵方向上的電場分量將在金屬光柵中驅動電子產生電流，電子又和導線晶格原子碰撞使導線變熱，最終使電場能轉化成熱能而損耗。因此沿光柵方向的電場分量基本不會通過光柵，只有垂直於光柵方向的電場分量才能通過光柵，因而可以實現偏振光的調製。經過調製後的入射光將進入具有特殊色散關係的金屬/介質多層膜，在可見光波段下，所述金屬具有實部為負的介電係數，它將與具有正的介電係數的介質共同構成ー種各向異性等效介質。根據等效介質理論可知，選擇合適的金屬、介質材料可使等效介質在切向和法向分別具有負的和正的介電係數，再由色散公式も2/ち+も2ん=も2可得該等效介質材料的色散關係為一雙曲線，如圖2所示。顯然，該等效介質材料對空間頻率kx具有高通濾波的效果，也就是說，只有空間頻率kx較高的諧波成分才能通過金屬/介質多層膜而進入待測樣品。值得注意的是，進入待測樣品的諧波成分均有& >λ/^&，根據色散關係も2+も2=S、2可知，待測樣品中諧波成分的法向波矢匕為一虛數，這表明進入待測樣品的諧波成分只能以消逝波的形式局域在金屬/介質多層膜的上表面，因此可實現僅對待測樣品下表面的照明。此外，消逝波的穿透深度由公式h = l/2^x2 -Sk20決定，通過改變金屬/介質多層膜中的材料及膜厚可使消逝波穿透深度在5nm 200nm範圍得到調節，以滿足對待測樣品不同表層深度的照明。被照明樣品可根據照明光波長以及分析檢測的目的進行不同的觀測與測量。如果照明光為可見光，則被照明樣品可直接由光學顯微鏡進行表層顯微成 像；如果照明光為紫外光，則待測樣品應為螢光祥品或塗有螢光染料的樣品，經過對樣品的螢光激發、濾板濾波後，攜帶樣品表層結構信息的螢光再由光學顯微鏡進行觀測；如果不僅需要對樣品進行表層成像，而且還希望對樣品表層中的物質進行鑑定與確認，則還可以利用拉曼光譜儀對樣品表層激發的斯託克斯散射光進行分析和監測。本發明與現有技術相比具有以下優點I、本發明中的用於納米尺度表層光學顯微成像的器件可提供對樣品5nm 200nm深度範圍內的表層照明，更大程度上減小了樣品內部結構散射光對表層成像質量的影響，進ー步提高了樣品表層成像的質量。該器件提供的照明深度、偏振方向可通過納米結構的尺寸、分布及排列進行調節，為設計方案提供了更多的自由度，適用範圍更廣。2、此外，該器件具有結構簡單、效率高、成本低等優點，為高解析度表層光學顯微成像技術提供了一條新型、有效的方法。
圖I是本發明所述用於納米尺度表層光學顯微成像的器件結構示意圖；圖中1為透明基底；2為納米結構；3為PMMA填充層；4為金屬膜層；5為介質膜層；6為待測樣品；7為蓋玻片；8為濾波片；9為光學顯微鏡；圖2為本發明中金屬/介質多層膜等效介質的色散關係示意圖；圖3為實施例I中可以實現對入射光進行線偏振調製的ー維周期性納米結構示意圖，右側雙箭頭線段表示所述納米結構的透振方向；圖4為實施例2中可以實現對入射光進行偏振方向交替調製的ニ維周期性納米結構示意圖，右側雙箭頭線段表示所述納米結構的透振方向；圖5為實施例3中可以實現對入射光進行切向偏振調製的ニ維周期性納米結構示意圖，右側帶有箭頭的圓環表示所述納米結構的透振方向；圖6為實施例I中Ag/Al203多層膜在波長為436nm照明光下光學傳遞函數的ニ維圖；圖7為實施例I中AgAl2O3多層膜表面的消逝波歸ー化光強隨進入待測樣品深度的變化曲線圖；圖8為實施例2中Au/Si02多層膜在波長為589nm照明光下光學傳遞函數的ニ維圖；圖9為實施例2中Au/Si02多層膜表面的消逝波歸ー化光強隨進入待測樣品深度的變化曲線圖。
具體實施方式
下面結合附圖及具體實施方式
詳細介紹本發明。但以下的實施例僅限於解釋本發明，本發明的保護範圍應包括權利要求的全部內容，而且通過以下實施例對領域的技術人員即可以實現本發明權利要求的全部內容 。本發明的實施例I，是能夠產生線偏光，並用於15nm尺度表層光學顯微成像的器件。圖I是器件結構示意圖，所述器件由下到上依次為透明石英基底；鉻鈉米光柵，用於對照明光進行空間頻率和偏振方向調製；PMMA填充層，用於平整化納米結構表面；Ag/Al203多層膜，用於對不同空間頻率諧波進行高通濾波。鉻鈉米光柵周期150nm線寬75nm，PMMA填充層的上表面相對納米結構上表面的厚度為10nm，Ag的介電係數為-5. 4939+0. 2156 ,Al2O3的介電係數為3. LAgAl2O3多層膜的每層膜厚均為10nm，共64層。照明光為部分相干光，波長為436nm。經鉻納米結構調製後，入射光場中只有橫向波矢較高的諧波成分才能通過多層膜並只能以消逝波的形式局域在該器件多層膜的表面約15nm範圍內，從而實現僅對消逝波光場的穿透深度即距離多層膜表面15nm範圍內的樣品表層進行照明。這可以減小樣品內部結構的散射光對樣品表層成像的幹擾。圖3為本實施例中鉻納米光柵的結構示意圖，鉻納米光柵可以用作一個線柵起偏器，實現對照明光偏振方向的調製，圖中雙向箭頭線段表示線柵起偏器的透振方向。為獲得較高空間頻率的諧波成分，取鉻光柵周期為150nm、線寬為75nm、高度為50nm。圖6為本實施中Ag/Al203多層膜在照明波長為436nm時光學傳遞函數的ニ維圖。從圖中可以看出，經鉻納米結構調製後的入射光場中只有橫向波矢kx > 2. Sk0的諧波成分才能通過AgAl2O3多層膜，而滿足這ー要求的諧波成分只能以消逝波的形式局域在該器件多層膜的表面。假設生物樣品介電係數為2. 2，則可得到消逝波歸ー化光強與進入樣品深度的變化曲線，如圖7所示。通常取消逝波光強衰減為初始光強Ι/e處為其穿透深度，即
Lp = \丨1批-Sk20，當取kx = 2. Sk0吋，消逝波光場的穿透深度約為15nm。將待測樣品置於
多層膜的上表面，即可實現對樣品下表面15nm深的區域進行線偏光照明。由於採用紫光照明，樣品必須為螢光物質或經螢光染料處理，經過螢光激發、濾板濾波後，攜帶樣品15nm深度內的表層結構信息的突光可由光學顯微鏡進行觀測。本發明的實施例2,是能夠產生切向偏振光，並用於50nm尺度表層光學顯微成像的器件。照明光為部分相干光，波長為589nm，該器件由下到上依次為玻璃基底、沿徑向分布的鉻鈉米結構、PMMA填充層以及Au/Si02多層膜。PMMA填充層的上表面相對納米結構上表面的厚度為IOnm, Au的介電係數為-O. 9969+0. 2319 , SiO2的介電係數為2. 25，Au/Si02多層膜的每層膜厚均為20nm，共32層。圖4和圖5為本實施例中鉻納米結構的分布示意圖，顯然，鉻鈉米結構沿徑向分布，根據線柵起偏器的工作原理，該金屬納米結構的分布將產生沿切向的偏振光，透振方向如圖中帶有箭頭的圓所示。圖8為本實施中Au/Si02多層膜在照明波長為589nm時的光學傳遞函數的ニ維圖，從圖中可以看出，經鉻納米結構調製後的入射光場中只有橫向波矢kx> I. 751 的諧波成分才能通過Au/Si02多層膜。仍假設生物樣品介電係數為2. 2，可得到消逝波光強與進入樣品深度的變化曲線，如圖9所示，此時消逝波光場的穿透深度約為50nm。由於採用黃光照明，因此可以直接利用光學顯微鏡對攜帶樣品50nm深度內的表層結構信息進行觀測。本發明未詳細闡述的部分屬於本領域公知技木。
權利要求
1.一種利用超衍射離軸照明技術的納米表層光學顯微成像器件，其特徵在於該器件從下到上依次包括 一透明基底層； 一納米結構層，用於對照明光進行空間頻率和偏振方向調製的納米結構； 一 PMMA填充層，用於平整化納米結構表面； 一金屬/介質多層膜層，用於對不同空間頻率諧波進行高通濾波。
2.根據權利要求I所述的利用超衍射離軸照明技術的納米表層光學顯微成像器件，其特徵在於所述納米結構層的尺寸和間距不大於照明光波長；所述納米結構層的材料為不透光材料的金屬或者介質；所述納米結構層的形狀可以為規則的幾何體或不規則的任意面型；所述納米結構的分布可以是均勻的或非均勻的，也可以是一維的或二維的。
3.根據權利要求I所述的利用超衍射離軸照明技術的納米表層光學顯微成像器件，其特徵在於所述PMMA填充層的上表面相對納米結構層上表面的厚度為10 30nm。
4.根據權利要求I所述的利用超衍射離軸照明技術的納米表層光學顯微成像器件，其特徵在於所述金屬/介質多層膜中的金屬可以為良導體材料的金、銀或鋁，介質可以為低損耗光學膜層材料的SiO2或Al2O3 ;所述金屬/介質多層膜為金屬/介質交替膜層，各膜層厚度範圍為IOnm 30nm，各層膜厚可以相等，也可以不相等；根據照明光強需要，金屬/介質多層膜的總層數2層或更多層。
5.一種利用超衍射離軸照明技術的納米表層光學顯微成像方法，其特徵在於照明光從權利要求I至4中任一項所述器件的透明基底層背面入射，經過納米結構層對其空間頻率和偏振方向的調製後進入金屬/介質多層膜層進行高頻濾波，最終在金屬/介質多層膜層的上表面形成局域在5nm 200nm深度範圍內的消逝光場，被消逝光場照明的待測樣品表層區域可以被光學顯微鏡或光譜儀進行分析檢測。
6.根據權利要求5所述的一種利用超衍射離軸照明技術的納米表層光學顯微成像方法，其特徵在於所述照明光可以為紫外到可見光範圍的寬光譜光源或者雷射光源。
7.根據權利要求5所述的一種利用超衍射離軸照明技術的納米表層光學顯微成像方法，其特徵在於改變所述納米結構層的尺寸和間距，可以調節多層膜表面消逝光場的空間頻率和強度分布。
8.根據權利要求5所述的一種利用超衍射離軸照明技術的納米表層光學顯微成像方法，其特徵在於當所述納米結構層的材料為金屬時，改變納米結構層的分布可以調節多層膜表面消逝光場的偏振方向和空間分布。
9.根據權利要求5所述的一種利用超衍射離軸照明技術的納米表層光學顯微成像方法，其特徵在於改變所述金屬/介質多層膜層中的金屬材料和介質材料，或者改變金屬膜層與介質膜層的厚度之比、層數，可以調整高通濾波時的截止頻率，從而調節多層膜表面消逝光場在樣品表層的作用深度，調節範圍5nm 200nm。
10.根據權利要求5所述的一種利用超衍射離軸照明技術的納米表層光學顯微成像方法，其特徵在於所述被消逝光場照明的待測樣品，可直接利用光學顯微鏡進行納米尺度表層樣品觀測，或通過激發樣品表層螢光，經濾色片濾光後再由光學顯微鏡進行觀測，或通過激發樣品斯託克斯散射光，經濾色片濾光後再由拉曼光譜儀進行分析檢測。
全文摘要
本發明公開了一種利用超衍射離軸照明技術的納米表層光學顯微成像器件及成像方法，所述器件從下到上依次包括透明基底層、納米結構層、PMMA填充層和金屬/介質多層膜層。其中納米結構層可對從透明基底背面入射的照明光進行空間頻率和偏振方向的調製，金屬/介質多層膜層可對調製後的照明光進行空間頻率的高通濾波，最終在金屬/介質多層膜層的上表面可以形成一個局域在5nm～200nm範圍內的消逝光場。該消逝光場可用於普通光學顯微鏡對待測樣品的照明，實現待測樣品5nm～200nm深度範圍內的表層成像。所述器件所提供的照明的方式能有效減小樣品內部結構的散射光對表層成像的幹擾，提高表層成像的解析度，為物質表層結構觀測、成分分析提供了一條有效的途徑。
文檔編號G02B21/36GK102628985SQ20121010795
公開日2012年8月8日 申請日期2012年4月13日 優先權日2012年4月13日
發明者馮沁, 劉凱鵬, 劉玲, 方亮, 楊磊磊, 王彥欽, 王長濤, 羅先剛, 趙澤宇, 陶興 申請人:中國科學院光電技術研究所