基于金属介质复合结构的荧光光场调控及成像研究

发布时间：2018-03-21 08:33

本文选题：荧光　切入点：荧光光子结构　出处：《中国科学技术大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：荧光标记和检测技术由于其高灵敏度一直以来是生命科学领域最广泛使用的研究手段之一。近年来多种超分辨荧光成像方法的提出,例如受激辐射损耗技术、光激活定位显微技术等,更是将荧光技术在超分辨成像上的应用发挥到极致。为了得到更强的荧光信号,多种功能性荧光光子器件被设计制造以提高荧光基团的激发和收集效率,包括光学天线结构和多层膜功能基底。这些荧光光子结构多为通过荧光基团与结构上近场光学模式的相互作用来调控荧光基团的辐射光场参量,包括辐射方向、强度、偏振、波长等。本论文主要研究多层膜功能基底特别是金属介质平板波导基底与共焦扫描成像系统、泄露辐射显微成像系统相结合后产生的荧光出射的新现象,包括高耦合效率的共焦荧光成像以及荧光无衍射贝塞尔光束的生成,并基于这两套成像系统发展出两种新型的荧光探测手段,分别是准近场共焦荧光探测和泄露辐射离焦荧光探测。这些研究对利用功能性荧光光子器件实现荧光成像、荧光光束整形等具有启发意义,并为新型功能性荧光光子器件的设计和表征提供了新的思路和手段。本论文的主要研究工作如下:1.实验研究了金属介质平板波导结构上导波模式激发的偏振依赖特性,通过棱镜耦合柱对称偏振光束激发结构上的波导模式,该柱对称偏振光束由液晶偏振转换器生成,其可以通过改变加载的电压实现出射光偏振从径向到切向的连续变化,从而动态调控结构上导波模式的场分布。通过光刻胶记录了金属介质平板波导上导波模式的干涉图样,从而实现了其上模式传播参数的直接测量。为了研究该波导结构作为共焦荧光成像基底的可能性,我们理论分析了该结构上导波模式的聚焦特性,得出横磁模具有空间尺度更小的场聚焦焦斑的结论。通过物镜后焦面成像的手段,实现了波导上横磁模的选择激发和聚焦,并用该聚焦场进行共焦扫描成像,实现了高耦合效率的共焦荧光像。2.实验研究了共焦扫描成像对金属介质平板波导准近场耦合荧光光场的表征。实验中设计了两种金属介质平板波导结构,一种为薄介质层,支持单一的表面等离子体模式;另一种为厚介质层,可支持多个导波模式。通过共焦扫描成像,测量了波导结构下层几十微米范围内的场切片像。这些场切片像显示这种方法在具有高角度分辨率的同时,还可以观测到结构上表面非耦合区荧光基团所发荧光的直接透射以及结构准近场范围内多模耦合出射的模式重叠等一些无法被传统的远场表征手段(例如后焦面成像)呈现的现象。所得的场分布结构被基于时域有限元差分法模拟的场分布所证实。这种准近场的探测手段弥补了远场探测手段的不足,为新型荧光光子器件的设计和表征提供了新的手段。3.提出了基于泄露辐射显微系统的离焦成像的概念。这里的离焦包括物镜离焦和探测器离焦。物镜离焦是指通过物镜远离荧光耦合结构,实现结构基底层内耦合荧光出射场场分布的成像。实验中,我们测量了最常用的玻璃基片和四种多层膜荧光光子器件的物镜离焦像,分别是表面等离子体结构、多模金属介质平板波导结构、一维光子晶体结构以及Tamm结构,得到了这些结构下层几十微米范围内的荧光出射场分布。探测器离焦是指通过成像探测器在系统前焦面像到后焦面像之间的移动来探测荧光像的变化,其可以实现样品实空间分布与其频谱信息的一一对应。通过该对应关系,我们实现了表面等离子体基底上纳米量级介质膜厚的并行测量。4.通过利用表面等离子体耦合荧光出射的波矢分布与贝塞尔光束波矢分布的相似性,我们通过泄露辐射4f成像系统对出射光场进行了变换,并成功生成了荧光贝塞尔光束。所生成的无衍射光束为1阶径向贝塞尔光束,其可以通过往光路中插入螺旋位相片的方式,转变为主瓣宽度更小的0阶贝塞尔光束。由于结构上每一个独立的荧光基团都可以生成一个独立的贝塞尔光束,这种方法可以实现多个无衍射荧光光束的同时生成。本论文的创新点主要包括:1.成功地将新型的多模金属介质平板波导结构应用到共焦扫描荧光成像中,并实现了比表面等离子体结构基底强三倍的共焦荧光像。通过对结构中横磁模的选择激发和聚焦,使得在得到高耦合效率荧光像的同时,保持了共焦成像系统的分辨率。这里所用的金属介质平板波导基底由于其厚介质层,可以有效规避金属的淬灭效应,从而使得其上荧光基团具有更长的有效发光时间。2.提出了基于泄露辐射显微系统的离焦荧光成像的概念。该离焦像可以直接反应耦合结构下层微米区域内的荧光场耦合情况。其中,探测器离焦所得离焦像,可以构建样品实空间像面与后焦面傅里叶信息的对应关系,从而可以实现光学参数,例如薄膜厚度、折射率等的并行探测。这里我们以薄膜厚度为例,实现了四个厚度差别在1Onm左右的薄膜膜厚的精确测量。3.实现了将通常理解的非相干的荧光光束整形为无衍射的贝塞尔光束,所生成的光束可以保持其无衍射传播特性超过100毫米。该工作展现了通过荧光光子器件的荧光定向特性实现荧光光束整形的可行性,其在超分辨荧光成像和荧光传感等领域具有潜在应用价值。
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【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN25

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