一種基于寬帶表面等離子體波的微區(qū)光譜測量裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于寬帶表面等離子體波的微區(qū)光譜測量裝置，主要是利用高數(shù)值孔徑顯微物鏡與寬帶徑向偏振光或稱徑向偏振白光搭建光譜測量裝置。入射寬帶環(huán)形徑向偏振光束被高數(shù)值孔徑油浸顯微物鏡聚焦到金屬薄膜上，激發(fā)金屬薄膜上表面的寬帶表面等離子體波，表面等離子體波沿界面向物鏡聚焦中心傳播，形成一個超衍射極限的聚焦白光光斑，即近場光斑，局域在金屬薄膜上表面。此光斑遇到被測樣品后被散射到遠場并被光譜儀采集，從而獲得樣品的光譜信息。表面等離子體波具有很小的穿透深度，徑向偏振光可實現(xiàn)超衍射極限聚焦光斑，其中心光強遠大于入射光光強，基于此裝置可獲得高空間分辨率，高靈敏度和信噪比的被測樣品光譜信息。
【專利說明】—種基于寬帶表面等離子體波的微區(qū)光譜測量裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及表面等離子體波和光譜測量的【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種基于寬帶表面等離子體波的微區(qū)光譜測量裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]光譜是研究物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和運動及其相互作用的有力工具。在常規(guī)光譜探測中，由于衍射極限的存在，其空間分辨率很難達到微米以下。而在光譜分析的很多應(yīng)用中，發(fā)光區(qū)域的尺度常在納米級別，如單分子熒光，量子線、量子點光源等。
[0003]目前實現(xiàn)高空間分辨率的光譜技術(shù)主要有兩類:1、利用掃描共聚焦顯微鏡測定光譜。共聚焦顯微鏡具有較高的橫向分辨率，但其縱向分辨率較低，且橫向分辨率仍受衍射極限的限制。2、利用近場光學顯微鏡與近場光譜，用納米尺度的微光學探針掃描而同時得到樣品的形貌和微區(qū)光譜，此方法空間分辨率高，但裝置成本高，操作復雜，應(yīng)用頗為不便。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有測量技術(shù)的不足，提出了一種基于寬帶(或?qū)挷ㄩL)表面等離子體波的微區(qū)光譜測量裝置，可獲得高空間分辨率，高靈敏度和高信噪比的光譜信息。
[0005]本發(fā)明實現(xiàn)上述目的的技術(shù)方案如下:
[0006]一種基于寬帶表面等離子體波的微區(qū)光譜測量裝置:其包括:寬帶光源，光纖，擴束透鏡，偏振片，徑向偏振轉(zhuǎn)換器，反射鏡，光闌，高數(shù)值孔徑油浸顯微物鏡，折射率匹配油，樣品，光譜儀；
[0007]其中，樣品包括玻璃基底，金屬薄膜(如金膜，銀膜等)，待測樣品(如生物細胞，納米粒子等)及上方空氣層構(gòu)成的四層結(jié)構(gòu)，金屬薄膜蒸鍍或濺射在玻璃基底上，在金屬薄膜上滴涂或浸涂待測樣品，使樣品粘著在金屬薄膜上。
[0008]所述寬帶光源由光纖導出，由擴束透鏡擴束后經(jīng)偏振片，徑向偏振轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為徑向偏振光，再經(jīng)反射鏡，光闌擋去中心部分，得到環(huán)形徑向偏振光束，通過高數(shù)值孔徑油浸顯微物鏡，折射率匹配油，以寬角度范圍聚焦輻照在金屬薄膜上，激發(fā)金屬-空氣界面的表面等離子體波，表面等離子體波沿金屬-空氣界面向物鏡焦點傳播，在金屬表面形成超衍射極限的聚焦白光光斑(近場光斑，局域在金屬薄膜上表面)，當樣品被此聚焦光斑照射時，此近場局域的光斑會被散射到遠場，被光譜儀采集，從而得到待測樣品的光譜信息。
[0009]本發(fā)明和傳統(tǒng)技術(shù)相比的優(yōu)勢為:
[0010]1、本發(fā)明空間分辨率高。本發(fā)明以寬帶表面等離子體波為光譜光源，表面等離子體波具有超衍射極限的穿透深度，在強聚焦下徑向偏振光的聚焦光斑尺寸可小至0.3 λ，因而可同時實現(xiàn)高縱向和橫向分辨率。
[0011]2、本發(fā)明信噪比、靈敏度高。所述寬帶徑向光源通過擴束后，用光闌擋去中心部分光束，得到環(huán)形光斑，只讓高反射角到SP激發(fā)角0sp之間的入射光通過，在這一很小的角度范圍內(nèi)絕大部分能量都耦合了到SP中，直接通過的背景光非常弱，極大地降低了背景噪聲，因而具有高信噪比和靈敏度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為一種基于寬帶表面等離子體波的微區(qū)光譜測量裝置；
[0013]其中，1、寬帶光源,2、光纖,3、擴束透鏡,4、偏振片,5、徑向偏振轉(zhuǎn)換器,6、反射鏡，
7、光闌，8、高數(shù)值孔徑油浸顯微物鏡，9、折射率匹配油，10、基底，11、金屬薄膜，12、待測樣品，13、光譜儀。
[0014]圖2為測量流程圖；
[0015]圖3為所述環(huán)形光束聚焦示意圖，其中，14、聚焦平面，(a)、(b)分別對應(yīng)線性和徑向偏振，箭頭表示偏振方向。
[0016]圖4為45nm金膜上500nm環(huán)形徑向偏振光的聚焦光斑強度分布圖,其中，(a)、(b)分別對應(yīng)線性和徑向偏振；
[0017]圖5為45nm金膜在600nm入射光激發(fā)下的ATR曲線。
[0018]圖6為本發(fā)明實施例所得光譜。
【具體實施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細描述，附圖中相同的標號始終表示相同的部件。
[0020]參照圖1所示的一種基于寬帶表面等離子體波的微區(qū)光譜測量裝置，包括寬帶光源1，光纖2，擴束透鏡3，偏振片4，徑向偏振轉(zhuǎn)換器5，反射鏡6，光闌7，高數(shù)值孔徑油浸顯微物鏡8，折射率匹配油9，玻璃基底10，金屬薄膜11，待測樣品12，光譜儀13。
[0021]具體測量流程如圖2。
[0022]樣品制備過程如下:在玻璃基底10上蒸鍍一層45nm厚的金膜,將直徑為2um的聚苯乙烯小球(Polystyrene Spheres,簡稱PS小球)(即為待測樣品)溶解于去離子水中，滴涂在金膜上，靜置以待水分揮發(fā)，即制備成所需樣品。
[0023]將制備好的樣品通過折射率為1.56的折射率匹配油9相連于顯微物鏡8 (60X,N.A.=1.35)。由光纖2引導出的寬帶光源經(jīng)擴束透鏡3擴束至可覆蓋顯微物鏡8的入射瞳面，經(jīng)偏振片4、徑向偏振轉(zhuǎn)換器5轉(zhuǎn)換為徑向偏振光，再經(jīng)光闌擋去中心光束，得到環(huán)形光斑，經(jīng)顯微物鏡8聚焦到樣品金膜與空氣界面上，激發(fā)金膜-空氣界面的表面等離子體波，表面等離子體波向物鏡聚焦中心傳播，最終在物鏡焦點處形成一個超衍射極限的聚焦白光光斑。
[0024]調(diào)節(jié)光闌使得環(huán)形光斑內(nèi)外徑分別在金膜ATR曲線的高反射角Θ r和SP激發(fā)角Θ sp處，不滿足SP激發(fā)角的光線因為高反射率很少透過樣品，滿足SP激發(fā)角的光通過SP耦合到界面處。表面等離子體波向物鏡中心匯聚形成的超衍射極限聚焦白光光斑被界面上的微小顆粒PS小球散射到遠場，被光譜儀采集，圖6即為本實施例得到的PS小球散射光譜。
[0025]本發(fā)明技術(shù)方案的原理為:
[0026]表面等離子體波(Surface Plasmon,簡稱SP)是光與金屬表面自由電子相互作用產(chǎn)生的金屬表面電荷振蕩的電荷疏密波，它存在于介電常數(shù)實部分別為正負的兩種材料的分界面上，如金屬與空氣界面。由于SP的波矢大于同頻率的光波矢量，所以它不能由光直接激發(fā)，必須通過波矢補償增大光波矢量才能實現(xiàn)SP的激發(fā)。本專利中利用折射率匹配油和玻璃基底提高波矢，在某些特定的角度下，可實現(xiàn)入射光與金屬表面等離子振蕩的耦合，激發(fā)表面等離子體波。
[0027]其實現(xiàn)條件是
【權(quán)利要求】
1.一種基于寬帶表面等離子體波的微區(qū)光譜測量裝置，其特征在于:其包括:寬帶光源⑴，光纖⑵，擴束透鏡(3)，偏振片(4)，徑向偏振轉(zhuǎn)換器(5)，反射鏡(6)，光闌(7)，高數(shù)值孔徑油浸顯微物鏡(8)，折射率匹配油(9)，樣品和光譜儀(13)； 其中，樣品包括玻璃基底(10)，金屬薄膜(11)，待測樣品(12)及上方空氣層構(gòu)成的四層結(jié)構(gòu)，其制備過程為:在玻璃基底(10)上蒸鍍或濺射金屬薄膜(11)，并在金屬薄膜上滴涂或浸涂待測樣品(12)，使待測樣品(12)粘著在金屬薄膜(11)上； 寬帶光源(I)由光纖(2)導出，由擴束透鏡(3)擴束后經(jīng)偏振片(4)，徑向偏振轉(zhuǎn)換器(5)轉(zhuǎn)換為徑向偏振光，再經(jīng)反射鏡(6)，光闌(7)擋去中心光束，得到寬帶環(huán)形徑向偏振光束，通過高數(shù)值孔徑油浸顯微物鏡(8)，折射率匹配油(9)，以寬角度范圍聚焦輻照在金屬薄膜(11)上，激發(fā)金屬-空氣界面的表面等離子體波，表面等離子體波沿界面向物鏡中心焦點傳播，形成一個局域于此界面的超衍射極限的聚焦白光光斑，此光斑遇到界面上的微小顆粒發(fā)生散射，散射光被光譜儀(13)采集，進而獲得待測樣品的光譜信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于寬帶表面等離子體波的微區(qū)光譜測量裝置，其特征在于:所述的寬帶光源為白光光源或鹵素燈。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于寬帶表面等離子體波的微區(qū)光譜測量裝置，其特征在于:所述白光光源經(jīng)偏振片(4)和徑向偏振轉(zhuǎn)換器(5)后轉(zhuǎn)換為徑向偏振光。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于寬帶表面等離子體波的微區(qū)光譜測量裝置，其特征在于:所述徑向偏振光被光闌擋去中心部分，形成環(huán)形徑向偏振光束，采用環(huán)形光束的目的是濾去小角度激發(fā)光，降低背景噪聲，提高信噪比。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于寬帶表面等離子體波的微區(qū)光譜測量裝置，其特征在于:所述環(huán)形徑向偏振光束外徑可覆蓋高數(shù)值孔徑油浸物鏡(8)的入瞳，以寬角度范圍聚焦輻照在金屬薄膜-空氣界面；使用高數(shù)值孔徑油浸物鏡的效果，一是相當于激發(fā)表面等離子體波所需的高折射率棱鏡，使得每一個入射光波長都以一定的角度范圍入射到金屬薄膜表面，在某一角度下，此波長的光可激發(fā)局域于金屬薄膜表面的等離子體波；二是使得被激發(fā)的寬帶表面等離子體波均向物鏡聚焦中心匯聚，形成超衍射極限的聚焦白光光斑；此種組合可有效提高測量的空間分辨率、信噪比，由于表面等離子體波對周圍物質(zhì)的光學性質(zhì)變化極其敏感，因此此方法同樣具有高靈敏度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于寬帶表面等離子體波的微區(qū)光譜測量裝置，其特征在于:所述的金屬薄膜(11)為金膜或銀膜。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于寬帶表面等離子體波的微區(qū)光譜測量裝置，其特征在于:所述的待測樣品(12)為生物細胞或納米粒子。
【文檔編號】G01N21/49GK103837499SQ201410086293
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2014年3月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月10日
【發(fā)明者】韓璐, 張斗國, 陳漪愷, 朱良富, 王茹雪, 王沛, 明海 申請人:中國科學技術(shù)大學