[发明专利]一种基于宽带表面等离子体波的微区光谱测量装置

说明书

技术领域

本发明涉及表面等离子体波和光谱测量的技术领域，特别涉及一种基于宽带表面等离子体波的微区光谱测量装置。

背景技术

光谱是研究物质内部结构和运动及其相互作用的有力工具。在常规光谱探测中，由于衍射极限的存在，其空间分辨率很难达到微米以下。而在光谱分析的很多应用中，发光区域的尺度常在纳米级别，如单分子荧光，量子线、量子点光源等。

目前实现高空间分辨率的光谱技术主要有两类：1、利用扫描共聚焦显微镜测定光谱。共聚焦显微镜具有较高的横向分辨率，但其纵向分辨率较低，且横向分辨率仍受衍射极限的限制。2、利用近场光学显微镜与近场光谱，用纳米尺度的微光学探针扫描而同时得到样品的形貌和微区光谱，此方法空间分辨率高，但装置成本高，操作复杂，应用颇为不便。

发明内容

本发明的目的是克服现有测量技术的不足，提出了一种基于宽带（或宽波长）表面等离子体波的微区光谱测量装置，可获得高空间分辨率，高灵敏度和高信噪比的光谱信息。

本发明实现上述目的的技术方案如下：

一种基于宽带表面等离子体波的微区光谱测量装置：其包括：宽带光源，光纤，扩束透镜，偏振片，径向偏振转换器，反射镜，光阑，高数值孔径油浸显微物镜，折射率匹配油，样品，光谱仪；

其中，样品包括玻璃基底，金属薄膜（如金膜，银膜等），待测样品（如生物细胞，纳米粒子等）及上方空气层构成的四层结构，金属薄膜蒸镀或溅射在玻璃基底上，在金属薄膜上滴涂或浸涂待测样品，使样品粘着在金属薄膜上。

所述宽带光源由光纤导出，由扩束透镜扩束后经偏振片，径向偏振转换器转换为径向偏振光，再经反射镜，光阑挡去中心部分，得到环形径向偏振光束，通过高数值孔径油浸显微物镜，折射率匹配油，以宽角度范围聚焦辐照在金属薄膜上，激发金属-空气界面的表面等离子体波，表面等离子体波沿金属-空气界面向物镜焦点传播，在金属表面形成超衍射极限的聚焦白光光斑（近场光斑，局域在金属薄膜上表面），当样品被此聚焦光斑照射时，此近场局域的光斑会被散射到远场，被光谱仪采集，从而得到待测样品的光谱信息。

本发明和传统技术相比的优势为：

1、本发明空间分辨率高。本发明以宽带表面等离子体波为光谱光源，表面等离子体波具有超衍射极限的穿透深度，在强聚焦下径向偏振光的聚焦光斑尺寸可小至0.3λ，因而可同时实现高纵向和横向分辨率。

2、本发明信噪比、灵敏度高。所述宽带径向光源通过扩束后，用光阑挡去中心部分光束，得到环形光斑，只让高反射角θ_r到SP激发角θ_sp之间的入射光通过，在这一很小的角度范围内绝大部分能量都耦合了到SP中，直接通过的背景光非常弱，极大地降低了背景噪声，因而具有高信噪比和灵敏度。

附图说明

图1为一种基于宽带表面等离子体波的微区光谱测量装置；

其中，1、宽带光源，2、光纤，3、扩束透镜，4、偏振片，5、径向偏振转换器，6、反射镜，7、光阑，8、高数值孔径油浸显微物镜，9、折射率匹配油，10、基底，11、金属薄膜，12、待测样品，13、光谱仪。

图2为测量流程图；

图3为所述环形光束聚焦示意图，其中，14、聚焦平面，(a)、(b)分别对应线性和径向偏振，箭头表示偏振方向。

图4为45nm金膜上500nm环形径向偏振光的聚焦光斑强度分布图，其中，(a)、(b)分别对应线性和径向偏振；

图5为45nm金膜在600nm入射光激发下的ATR曲线。

图6为本发明实施例所得光谱。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述，附图中相同的标号始终表示相同的部件。

参照图1所示的一种基于宽带表面等离子体波的微区光谱测量装置，包括宽带光源1，光纤2，扩束透镜3，偏振片4，径向偏振转换器5，反射镜6，光阑7，高数值孔径油浸显微物镜8，折射率匹配油9，玻璃基底10，金属薄膜11，待测样品12，光谱仪13。

具体测量流程如图2。

样品制备过程如下：在玻璃基底10上蒸镀一层45nm厚的金膜，将直径为2um的聚苯乙烯小球（Polystyrene Spheres，简称PS小球）（即为待测样品）溶解于去离子水中，滴涂在金膜上，静置以待水分挥发，即制备成所需样品。