[发明专利]基于表面等离子体耦合发射效应的光场成像系统

说明书

本发明涉及一种基于表面等离子体耦合发射效应的光场成像系统。该系统包括光源单元、激光投射单元、检测单元、计算及控制系统、载物台；载物台上放置有载玻片，所述光源单元产生激光并将其耦合到激光投射单元，激光投射单元将激光投射到载玻片上；其特征在于，载玻片的受光面覆盖有金属纳米薄膜，该金属纳米薄膜表面吸附有一金属纳米颗粒；当该金属纳米颗粒位于光场内时，该金属纳米颗粒产生散射光，该散射光中满足SP波矢匹配条件的成分由于表面等离子体耦合发射效应，在表面等离子体共振角产生SPCE信号；计算及控制系统用于通过移动载物台使金属纳米颗粒位于激光的光场内的不同位置，并通过检测单元检测金属纳米颗粒位于各位置时所产生的SPCE信号的强度，并据此生成光场的光强分布。

技术领域

本发明涉及光学成像技术领域，尤其涉及一种基于表面等离子体耦合发射效应的光场成像系统。

背景技术

光学显微成像作为一种观测物体微小结构的手段，在近代科学的发展中起到举足轻重的作用。尤其在生物、医学等领域，光学显微镜的发明与改进使得人们对生物体的观测迈入细胞水平，推动了人们对生命现象的研究与认识。然而，由于光学衍射极限的存在，常规的光学显微镜的分辨率并不能被无限提高，而是被限制在半波长以上。以照明光源为可见光为例，其最高分辨率一般在250nm-300nm范围内。扫描近场光学成像技术从物理上克服了伴随常规光学显微镜的衍射极限的束缚。其基本思路是将一个微小物体控制在距离物体表面纳米尺度的范围内(近场范围),利用它将束缚在物体表面的隐失场信息转换成能够在远场被接收的传播场。通过精确的扫描与反馈技术，得到被测物体的超分辨成像。然而目前广泛应用的近场光学显微技术也存在一些缺陷与不足，尤其当它用作聚焦光场成像时，主要表现在以下三个方面：1)信号光与激发光分离困难；2)信号光收集效率低；3)近场探针具有单一的光偏振选择性。

首先，如何将由探针产生的微弱信号光从背景光中分离出来是近场光学显微技术的关键问题，尤其当信号光在空间和光谱上都与照明光重叠时(例如样品产生的瑞利散射光信号)。对于孔径型扫描近场光学显微镜而言，其光纤探头无论对样品表面的隐失场还是背景照明光都有一定的耦合响应。因此由光纤探头检测到的光信号始终包含有背景光的信息，降低系统的信噪比。散射型扫描近场光学显微镜可以通过斜入射激发以及引入锁相放大器的方式在一定程度上降低背景光的影响。然而这种激发方式通常需要长工作距离(一般为低数值孔径)的物镜接收信号。这会降低信号的收集效率。同时锁相放大器的引入也会增加系统的复杂性。

其次，目前的探针系统对信号光的收集效率较低，这直接影响系统的扫描成像时间。以孔径型光纤探针为例，光耦合进探针的效率一般为10^-6-10^-4。虽然通过增加孔径的尺寸可以有效提高耦合效率，但这同时也会引入很强的背景光信号，而且会牺牲成像系统的分辨率。对于散射型探针而言，束缚在样品表面的隐失场由于探针的作用被转换成传播的散射光信号。一方面散射光的发射具有很广的空间角度分布；另一方面，接收散射光信号时通常又需要长工作距离的物镜。这两方面共同导致了信号光的低收集效率。

最后，目前的近场光学探针对光的偏振具有单一的选择性。由于束缚在样品表面的隐失场具有矢量性，而且其横向或纵向分量的比重与样品的表面形态有很高的相关性，这种单一的偏振选择性一方面会降低系统的信号转化与收集能力，另一方面也会使得样品的近场光学成像信息不完整。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种基于表面等离子体耦合发射效应的光场成像系统，以解决传统近场光学显微镜信号光与激发光分离困难的缺陷。本发明是这样实现的：