專利名稱:曲面復(fù)合超分辨載流管的制作方法
曲面復(fù)合超分辨載流管 技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)顯微成像技術(shù)，特別是針對納米尺度的樣品可實現(xiàn)超瑞利分辨極限的遠 場放大成像的探測裝置。
背景技術(shù)：
一般在遠場(遠大于一個波長)中工作的光學(xué)觀測儀器都無法避免光的波動性造成的干 涉及衍射效應(yīng)，由于其無法傳播的攜帶有精細結(jié)構(gòu)信息的高頻量，它的空間分辨率受限于瑞 利分辨極限，比如，在使用波長為入的光照射時，目前所有的遠場透鏡都不能夠?qū)ο喔艟嚯x 小于A /2的兩個樣品進行放大分辨。1984年瑞士蘇黎世IBM的D. Pohl等人利用微孔徑作為微探針，制成了世界上第一臺 近場光學(xué)顯微鏡。兩年后，美國康奈爾大學(xué)的E. Betzig等也制成了用微管(micropipette) 作探針的近場光學(xué)顯微鏡。隨后各種各樣的近場光學(xué)顯微鏡逐漸走向成功，開始應(yīng)用于表面 超精細結(jié)構(gòu)的光學(xué)現(xiàn)象觀測校樣的研究領(lǐng)域。快速發(fā)展的近場光學(xué)顯微鏡利用納米量級的光 探針在物體表面附近掃描獲取近場信息，可以達到很高的空間分辨率。但是，近場光學(xué)顯微 鏡是將光纖探針限制在近場(幾到幾十納米)范圍內(nèi)工作，需要很精密的控制系統(tǒng)，操作復(fù) 雜且要非常小心，光纖探針也要定期更換，需要專業(yè)技術(shù)人員，同時價格也昂貴，限制了它 的應(yīng)用范圍。并且，相比于不改變?nèi)肷涔鈭龅倪h場探測而言，近場探測則破壞了被分析的光 場，會引入誤差，并不完全精確。2007年，美國加州大學(xué)伯克利分校的Zhang Xiang等人利用金屬-電介質(zhì)多層復(fù)合柱面 結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了對鉻金屬層上刻蝕的微納字符進行遠場放大成像的原理性試驗，但是沒有實現(xiàn) 對生物及金屬微納結(jié)構(gòu)的超分辨探測。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足之處，提供一種能夠用于超瑞利分辨極限的 遠場放大成像、分辨相隔距離小于入/2的樣品、成像在遠場、可獲得遠場放大超分辨的空 間分辨率的曲面復(fù)合超分辨載流管。本發(fā)明解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案本發(fā)明曲面復(fù)合超分辨載流管的結(jié)構(gòu)特點是采用中空的曲面載流體，所述曲面載流體是 由至少一層金屬層和一層電介質(zhì)層相間設(shè)置構(gòu)成復(fù)合結(jié)構(gòu)，被測樣品置于其中空腔內(nèi)。 本發(fā)明曲面復(fù)合超分辨載流管的結(jié)構(gòu)特點也在于所述中空的曲面載流體是沿軸向切面形成的中空半圓柱體，在其切面上以遮光層覆蓋，在所述遮光層上沿所述半圓柱體的軸向開設(shè)透光縫。
所述金屬層厚度為10-100nm，所有各金屬層厚度一致。 所述電介質(zhì)層厚度為10-100nm，所有各電介質(zhì)層厚度一致。 所述金屬層采用介電常數(shù)在入射波長下為負值的金屬材料。 所述金屬層為銀Ag或金Au。
所述電介質(zhì)層采用介電常數(shù)大于所述金屬層介電常數(shù)實部絕對值的固態(tài)電介質(zhì)。 所述電介質(zhì)層采用A1203，或Si02。 所述覆蓋的遮光層是透射率為0的介質(zhì)。 所述遮光層采用金屬鉻Cr。
本發(fā)明金屬層和電介質(zhì)層在入射波長條件下，金屬的介電常數(shù)^和電介質(zhì)的介電常數(shù) ^滿足以下關(guān)系^<0且|^>|^ | 。
由于光的波動性，通常的遠場觀測都受瑞利分辨極限的限制，無法對相隔距離小于入/2 的兩個樣品進行放大分辨。當金屬-電介質(zhì)多層復(fù)合曲面結(jié)構(gòu)整體所表現(xiàn)出的徑向和切向有 效介電常數(shù)如下式所示
^ =
n
， V~^ 2 fm + &
其中^為入射波長條件下其金屬的介電常數(shù)，。為電介質(zhì)的介電常數(shù)。當^>0， ；<0
即
SM<0， |&|>|&|
時，該結(jié)構(gòu)可以被看作是超瑞利分辨極限的超透鏡。此時該多層復(fù)合曲面結(jié)構(gòu)的整體表現(xiàn)出 的法線和切線方向有效介電常數(shù)的符號相反，從而調(diào)制其內(nèi)部光只能夠沿曲面法線方向傳 播。該多層復(fù)合曲面結(jié)構(gòu)可以利用表面等離子體激發(fā)放大倏逝波的振幅，再將它轉(zhuǎn)化為傳播 波而不發(fā)生混合，從而傳播到遠場，使其成超衍射分辨像。這時的傳播波可以通過類似常規(guī) 成像的方法在遠場探測和處理。將倏逝波轉(zhuǎn)化為傳播波而不發(fā)生混合是遠場獲取亞波長信息 的關(guān)鍵。光束在內(nèi)壁照射待測樣品，在普通透鏡中無法傳播的攜帶有精細結(jié)構(gòu)信息的高頻量 在曲面復(fù)合超分辨載流管壁內(nèi)可以傳播，且不會發(fā)生相互干涉。
金屬-電介質(zhì)層的曲率，層數(shù)和厚度決定了超分辨成像的放大倍率。例如，當在金屬-電 介質(zhì)多層復(fù)合曲面結(jié)構(gòu)為圓柱體的情況下，從輸入表面到輸出表面的曲率增加使得放大發(fā) 生，成像被放大了 r。ut/^倍，其中r。ut， rin分別為輸出，輸入曲面的半徑。當該放大倍率可以保證從載流管外壁曲面出射時點距大于瑞利分辨極限時，原本無法分辨的納米結(jié)構(gòu)就可以 在遠場分辨，即可達到放大效果。并且這些高頻量可以傳播到遠場，從而可以通過普通凸透 鏡聚焦，在觀測屏上得到超越瑞利分辨極限的像。金屬-電介質(zhì)多層復(fù)合曲面結(jié)構(gòu)需要被構(gòu) 造為球面幾何體或者圓柱幾何體以避免光經(jīng)過不同距離而衰減不同而引起的相差。這樣便實 現(xiàn)了遠場超分辨成像，并且避免了近場探測的誤差，便于觀察研究。 與已有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在
1、 本發(fā)明通過構(gòu)造金屬和電介質(zhì)的曲面復(fù)合結(jié)構(gòu)，使之法線和切線方向介電常數(shù)符號 相反，使得在普通透鏡中無法傳播的攜帶有精細結(jié)構(gòu)信息的高頻量在曲面復(fù)合超分辨載流管 壁內(nèi)可以傳播，且不會發(fā)生相互干涉，從載流管外壁曲面出射時點距大于瑞利分辨極限，從 而實現(xiàn)了在遠場觀察到超衍射分辨率極限的納米級的樣品結(jié)構(gòu)，分辨率高，避免了近場探測 的誤差，遠場成像更便于操作和應(yīng)用。
2、 由于只有特定波長條件下，載流管中金屬和電介質(zhì)的介電常數(shù)才能滿足要求滿足的 關(guān)系式，從而在載流管中進行傳播，而其他波長的光則完全無法透過，因此該載流管結(jié)構(gòu)有 很好的濾光特性和抗干擾性，為觀測帶來便利。
3、 本發(fā)明裝置不需要很精密的控制系統(tǒng)，沒有昂貴且常需更換的光纖探頭，探測距離 也很寬泛，不需要在近場探測。只需將待測樣品通入載流管中，樣品受重力作用自然位于內(nèi) 壁底部，無需固定。因而操作相對簡單。
4、 本發(fā)明使用方法簡單易行，對于樣品的狀態(tài)沒有過多要求，可以簡單、方便地在普
通光學(xué)凸透鏡上使用。


圖1為本發(fā)明的曲面復(fù)合超分辨載流管結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為實施例1曲面復(fù)合超分辨載流管光場平均場強度分布數(shù)值模擬示意圖。 圖3 (a)為實施例1曲面復(fù)合超分辨載流管入射端面光場平均場強度分布示意圖。 圖3 (b)為實施例l曲面復(fù)合超分辨載流管出射端面光場平均場強度分布示意圖。 圖4為實施例2曲面復(fù)合超分辨載流管光場平均場強度分布數(shù)值模擬示意圖。 圖4 (a)為實施例2曲面復(fù)合超分辨載流管入射端面光場平均場強度分布示意圖。 圖4 (b)為實施例2曲面復(fù)合超分辨載流管出射端面光場平均場強度分布示意圖。 圖5 (a)為實施例2入射端強度分布圖。 圖5 (b)為實施例2出射端強度分布圖。
圖中標號l激發(fā)光、2遮光層、3透光縫、4金屬層、5電介質(zhì)層、6待測樣品、7凸透鏡、8成像屏。以下通過具體實施方式
，結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步描述。
具體實施方式
實施例1:本實施例中的待測樣品6是經(jīng)熒光染色的生物樣品。采用中空的曲面載流體，由至少一層金屬層和一層電介質(zhì)層相間設(shè)置構(gòu)成復(fù)合結(jié)構(gòu)，金 屬-電介質(zhì)多層復(fù)合曲面結(jié)構(gòu)需要被構(gòu)造為球面幾何體或者圓柱幾何體，以此有效避免光經(jīng) 過不同距離而衰減不同而引起的相差。被測樣品置于其中空腔內(nèi)。參見圖l，本實施例中，曲面載流體是沿軸向切面形成的中空半圓柱體，在其切面上以 遮光層2覆蓋。遮光層2選擇厚度為50nm的鉻Cr，或其他透射率為0的介質(zhì)；在遮光層2上沿半圓柱 體的軸向開設(shè)50nm寬的透光縫3，這一結(jié)構(gòu)形式是為遮擋光束，避免照射激發(fā)光直接照射 到成像屏上，影響觀測。透光縫3位于載流管中軸的位置，由于遮光層2的阻擋，針對熒光染色生物樣品的照射 激發(fā)光l只能夠從狹縫中入射到載流管內(nèi)，相當于線光源，從而消除載流管內(nèi)反射光的影響。 金屬層4選擇10層厚度為35nm的金Au，電介質(zhì)層5選擇10層厚度為35nm的二氧化 硅Si02， 一層金屬層和一層電介質(zhì)層相間設(shè)置，構(gòu)成復(fù)合結(jié)構(gòu)復(fù)合在石英襯底上，構(gòu)造為半 圓柱形的曲面復(fù)合超分辨載流管。內(nèi)壁半徑rin=0.26um外壁半徑rout=0.96um。金屬-電介質(zhì)多層曲面結(jié)構(gòu)在特定波長下整體可以被看作是法線和切線方向介電常數(shù)符 號相反的復(fù)合材料，從而調(diào)制其內(nèi)光的傳播只沿曲面法線方向。這樣，光束在內(nèi)壁照射待測 樣品6，在普通透鏡中無法傳播的攜帶有精細結(jié)構(gòu)信息的高頻量在曲面復(fù)合超分辨載流管壁 內(nèi)可以傳播，且不會發(fā)生相互干涉，從載流管外壁出射時點距大于瑞利分辨極限，從而可以 在遠場分辨，即可達到放大效果，超越瑞利分辨極限。金屬-電介質(zhì)的層數(shù)決定了超分辨成 像的放大倍率，在保證光束從外壁曲面出射時點距大于瑞利分辨極限的前提下可適當增減； 兩個相隔距離小于瑞利分辨極限的微小生物樣品6置入在載流管中；利用普通凸透鏡7收集 照射后在遠場所成的像，成像屏8可以采用CCD，以便將成像信息輸入計算機進行分析。使用Hoechst 33258染色液對微小生物樣品進行熒光染色操作，獲得染色，溶于水溶液 并通入載流管中。以波長為350nm的照射激發(fā)光1照射載流管，激發(fā)光沿遮光板上面的透 光縫3進入載流管內(nèi)部空間，經(jīng)照射，被染色的微小生物樣品6可被激發(fā)發(fā)出波長為460nm的熒光。二氧化硅Si02的介電常數(shù)εd=2.25 ， Au在波長為460nm時介電常數(shù) εm=-1.735 + 5.095/ (金屬的介電常數(shù)虛部在這里不必考慮)，滿足εm<0， |εd|>|εm|，故而微小生物樣品被激發(fā)的波長為460nrn的熒光可以沿曲面法線方向傳播。在普通凸透鏡7上 鍍?yōu)V波膜，過濾掉波長為350nrn的照射激發(fā)光，使之無法透過凸透鏡7，不會對成像造成干 擾，而允許波長為460nrn的熒光通過，從而可以在成像屏8上面觀測生物樣品的像。當兩 個相隔距離小于瑞利分辨極限的微小生物樣品相距140nm時，經(jīng)過超分辨透鏡出射放大， 在出射端面樣品的像相距520nm，大于入射波長，如圖2所示。入射端和出射端強度分布分 別如圖3 (a)和圖3 (b)，可以看到在出射端，樣品間的距離被放大，大于瑞利分辨極限， 使其可以用傳統(tǒng)光學(xué)結(jié)構(gòu)分辨。出射的光束可由普通凸透鏡聚焦，在載流管下方屏8上觀測 所成的像，即可清晰分辨兩個樣品。實施例2:本實施例中，待測樣品6是金屬納米顆粒樣品。載流管構(gòu)造方式同上，參見圖l。本實施例中，曲面載流體是沿軸向切面形成的中空半 圓柱體，在其切面上以遮光層2覆蓋。遮光層2選擇厚度為50nm的鉻Cr，或其他透射率為 O的介質(zhì)；在遮光層2上沿半圓柱體的軸向開設(shè)50nm寬的透光縫3，這一結(jié)構(gòu)形式是為遮 擋光束，避免照射激發(fā)光直接照射到成像屏上，影響觀測。透光縫3位于載流管中軸的位置，照射光l只能夠從狹縫中入射到載流管內(nèi)，相當于線 光源，從而消除載流管內(nèi)反射光的影響。金屬層4選擇15層厚度為20nm的銀Ag，電介質(zhì)層5選擇14層厚度為20nm的氧化鋁 A1203， 一層金屬層和一層電介質(zhì)層相間設(shè)置，構(gòu)成復(fù)合結(jié)構(gòu)復(fù)合在石英襯底上，構(gòu)造為半 圓柱形的曲面復(fù)合超分辨載流管。內(nèi)壁半徑rin=0.42pm外壁半徑r。u產(chǎn)l^m。載流管中放入金屬鉻Cr的納米顆粒。以波長為365nrn的照射光1照射載流管，沿遮光 板上面的透光縫3進入載流管內(nèi)部空間。氧化鋁的介電常數(shù)&=3.2， Ag在波長為365nm 時介電常數(shù)e--2.4012 + 0.2488/ (金屬的介電常數(shù)虛部在這里不必考慮)，滿足^<0， ^|>|^|，故而照射光可以沿曲面法線方向傳播，而由于鉻Cr具有高吸收，照射光無法透 過，從而可以在成像屏8上面觀測金屬顆粒樣品的像。當兩個直徑為80nm的金屬納米顆粒 樣品相距160nm，小于瑞利分辨極限時，經(jīng)過超分辨透鏡出射放大，在出射端面樣品的像相 距380nm，大于入射波長。如圖4所示。入射端和出射端強度分布分別如圖5 (a)和圖5 (b)，可以看到在出射端，樣品間的距離被放大，大于瑞利分辨極限，使其可以用傳統(tǒng)光學(xué) 結(jié)構(gòu)分辨。出射的光束可由普通凸透鏡聚焦，在載流管下方屏8上觀測所成的像，即可清晰 分辨兩個樣品。7
權(quán)利要求
1、曲面復(fù)合超分辨載流管，其特征是采用中空的曲面載流體，所述曲面載流體是由至少一層金屬層和一層電介質(zhì)層相間設(shè)置構(gòu)成復(fù)合結(jié)構(gòu)，被測樣品置于其中空腔內(nèi)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求
1所述的曲面復(fù)合超分辨載流管，其特征是所述中空的曲面載流體是 沿軸向切面形成的中空半圓柱體，在其切面上以遮光層覆蓋，在所述遮光層上沿所述半圓柱 體的軸向開設(shè)透光縫。
3、 根據(jù)權(quán)利要求
1所述的曲面復(fù)合超分辨載流管，其特征是所述金屬層厚度為 10-lOOnm,所有各金屬層厚度一致。
4、 根據(jù)權(quán)利要求
1所述的曲面復(fù)合超分辨載流管，其特征是所述電介質(zhì)層厚度為 10-100nm，所有各電介質(zhì)層厚度一致。
5、 根據(jù)權(quán)利要求
1所述的曲面復(fù)合超分辨載流管，其特征是所述金屬層采用介電常數(shù) 在入射波長下為負值的金屬材料。
6、 根據(jù)權(quán)利要求
5所述的曲面復(fù)合超分辨載流管，其特征是所述金屬層為銀Ag或金Au。
7、 根據(jù)權(quán)利要求
5所述的曲面復(fù)合超分辨載流管，其特征是所述電介質(zhì)層采用介電常 數(shù)大于所述金屬層介電常數(shù)實部絕對值的固態(tài)電介質(zhì)。
8、 根據(jù)權(quán)利要求
7所述的曲面復(fù)合超分辨載流管，其特征是所述電介質(zhì)層采用A1203， 或Si02。
9、 根據(jù)權(quán)利要求
1所述的曲面復(fù)合超分辨載流管，其特征是所述覆蓋的遮光層是透射 率為0的介質(zhì)。
10、 根據(jù)權(quán)利要求
9所述的曲面復(fù)合超分辨載流管，其特征是所述遮光層(2)采用金 屬鉻Cr。
專利摘要
曲面復(fù)合超分辨載流管，其特征是采用中空的曲面載流體，曲面載流體是由至少一層金屬層和一層電介質(zhì)層相間設(shè)置構(gòu)成復(fù)合結(jié)構(gòu)，被測樣品置于其中空腔內(nèi)。本發(fā)明通過構(gòu)造金屬和電介質(zhì)的曲面復(fù)合結(jié)構(gòu)，使之法線和切線方向介電常數(shù)符號相反，使得在普通透鏡中無法傳播的攜帶有精細結(jié)構(gòu)信息的高頻量在曲面復(fù)合超分辨載流管壁內(nèi)可以傳播，且不會發(fā)生相互干涉，從載流管外壁曲面出射時點距大于瑞利分辨極限，實現(xiàn)在遠場觀察到超衍射分辨率極限的納米級的樣品結(jié)構(gòu)，其分辨率高，可避免近場探測的誤差，遠場成像更便于操作和應(yīng)用。
文檔編號G01Q30/20GKCN101329246SQ200810023714
公開日2008年12月24日 申請日期2008年4月18日
發(fā)明者海 明, 勇 曹, 沛 王, 魯擁華 申請人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan