专利名称:曲面复合超分辨载流管的制作方法
曲面复合超分辨载流管 技术领域：
本发明涉及光学显微成像技术，特别是针对纳米尺度的样品可实现超瑞利分辨极限的远 场放大成像的探测装置。
背景技术：
一般在远场(远大于一个波长)中工作的光学观测仪器都无法避免光的波动性造成的干 涉及衍射效应，由于其无法传播的携带有精细结构信息的高频量，它的空间分辨率受限于瑞 利分辨极限，比如，在使用波长为入的光照射时，目前所有的远场透镜都不能够对相隔距离 小于A /2的两个样品进行放大分辨。1984年瑞士苏黎世IBM的D. Pohl等人利用微孔径作为微探针，制成了世界上第一台 近场光学显微镜。两年后，美国康奈尔大学的E. Betzig等也制成了用微管(micropipette) 作探针的近场光学显微镜。随后各种各样的近场光学显微镜逐渐走向成功，开始应用于表面 超精细结构的光学现象观测校样的研究领域。快速发展的近场光学显微镜利用纳米量级的光 探针在物体表面附近扫描获取近场信息，可以达到很高的空间分辨率。但是，近场光学显微 镜是将光纤探针限制在近场(几到几十纳米)范围内工作，需要很精密的控制系统，操作复 杂且要非常小心，光纤探针也要定期更换，需要专业技术人员，同时价格也昂贵，限制了它 的应用范围。并且，相比于不改变入射光场的远场探测而言，近场探测则破坏了被分析的光 场，会引入误差，并不完全精确。2007年，美国加州大学伯克利分校的Zhang Xiang等人利用金属-电介质多层复合柱面 结构，实现了对铬金属层上刻蚀的微纳字符进行远场放大成像的原理性试验，但是没有实现 对生物及金属微纳结构的超分辨探测。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种能够用于超瑞利分辨极限的 远场放大成像、分辨相隔距离小于入/2的样品、成像在远场、可获得远场放大超分辨的空 间分辨率的曲面复合超分辨载流管。本发明解决技术问题采用如下技术方案本发明曲面复合超分辨载流管的结构特点是采用中空的曲面载流体，所述曲面载流体是 由至少一层金属层和一层电介质层相间设置构成复合结构，被测样品置于其中空腔内。 本发明曲面复合超分辨载流管的结构特点也在于所述中空的曲面载流体是沿轴向切面形成的中空半圆柱体，在其切面上以遮光层覆盖，在所述遮光层上沿所述半圆柱体的轴向开设透光缝。
所述金属层厚度为10-100nm，所有各金属层厚度一致。 所述电介质层厚度为10-100nm，所有各电介质层厚度一致。 所述金属层采用介电常数在入射波长下为负值的金属材料。 所述金属层为银Ag或金Au。
所述电介质层采用介电常数大于所述金属层介电常数实部绝对值的固态电介质。 所述电介质层采用A1203，或Si02。 所述覆盖的遮光层是透射率为0的介质。 所述遮光层采用金属铬Cr。
本发明金属层和电介质层在入射波长条件下，金属的介电常数^和电介质的介电常数 ^满足以下关系^<0且|^>|^ | 。
由于光的波动性，通常的远场观测都受瑞利分辨极限的限制，无法对相隔距离小于入/2 的两个样品进行放大分辨。当金属-电介质多层复合曲面结构整体所表现出的径向和切向有 效介电常数如下式所示
^ =
n
， V~^ 2 fm + &
其中^为入射波长条件下其金属的介电常数，。为电介质的介电常数。当^>0， ；<0
即
SM<0， |&|>|&|
时，该结构可以被看作是超瑞利分辨极限的超透镜。此时该多层复合曲面结构的整体表现出 的法线和切线方向有效介电常数的符号相反，从而调制其内部光只能够沿曲面法线方向传 播。该多层复合曲面结构可以利用表面等离子体激发放大倏逝波的振幅，再将它转化为传播 波而不发生混合，从而传播到远场，使其成超衍射分辨像。这时的传播波可以通过类似常规 成像的方法在远场探测和处理。将倏逝波转化为传播波而不发生混合是远场获取亚波长信息 的关键。光束在内壁照射待测样品，在普通透镜中无法传播的携带有精细结构信息的高频量 在曲面复合超分辨载流管壁内可以传播，且不会发生相互干涉。
金属-电介质层的曲率，层数和厚度决定了超分辨成像的放大倍率。例如，当在金属-电 介质多层复合曲面结构为圆柱体的情况下，从输入表面到输出表面的曲率增加使得放大发 生，成像被放大了 r。ut/^倍，其中r。ut， rin分别为输出，输入曲面的半径。当该放大倍率可以保证从载流管外壁曲面出射时点距大于瑞利分辨极限时，原本无法分辨的纳米结构就可以 在远场分辨，即可达到放大效果。并且这些高频量可以传播到远场，从而可以通过普通凸透 镜聚焦，在观测屏上得到超越瑞利分辨极限的像。金属-电介质多层复合曲面结构需要被构 造为球面几何体或者圆柱几何体以避免光经过不同距离而衰减不同而引起的相差。这样便实 现了远场超分辨成像，并且避免了近场探测的误差，便于观察研究。 与已有技术相比，本发明有益效果体现在
1、 本发明通过构造金属和电介质的曲面复合结构，使之法线和切线方向介电常数符号 相反，使得在普通透镜中无法传播的携带有精细结构信息的高频量在曲面复合超分辨载流管 壁内可以传播，且不会发生相互干涉，从载流管外壁曲面出射时点距大于瑞利分辨极限，从 而实现了在远场观察到超衍射分辨率极限的纳米级的样品结构，分辨率高，避免了近场探测 的误差，远场成像更便于操作和应用。
2、 由于只有特定波长条件下，载流管中金属和电介质的介电常数才能满足要求满足的 关系式，从而在载流管中进行传播，而其他波长的光则完全无法透过，因此该载流管结构有 很好的滤光特性和抗干扰性，为观测带来便利。
3、 本发明装置不需要很精密的控制系统，没有昂贵且常需更换的光纤探头，探测距离 也很宽泛，不需要在近场探测。只需将待测样品通入载流管中，样品受重力作用自然位于内 壁底部，无需固定。因而操作相对简单。
4、 本发明使用方法简单易行，对于样品的状态没有过多要求，可以简单、方便地在普
通光学凸透镜上使用。
图1为本发明的曲面复合超分辨载流管结构示意图。
图2为实施例1曲面复合超分辨载流管光场平均场强度分布数值模拟示意图。 图3 (a)为实施例1曲面复合超分辨载流管入射端面光场平均场强度分布示意图。 图3 (b)为实施例l曲面复合超分辨载流管出射端面光场平均场强度分布示意图。 图4为实施例2曲面复合超分辨载流管光场平均场强度分布数值模拟示意图。 图4 (a)为实施例2曲面复合超分辨载流管入射端面光场平均场强度分布示意图。 图4 (b)为实施例2曲面复合超分辨载流管出射端面光场平均场强度分布示意图。 图5 (a)为实施例2入射端强度分布图。 图5 (b)为实施例2出射端强度分布图。
图中标号l激发光、2遮光层、3透光缝、4金属层、5电介质层、6待测样品、7凸透镜、8成像屏。以下通过具体实施方式
，结合附图对本发明作进一步描述。
具体实施方式
实施例1:本实施例中的待测样品6是经荧光染色的生物样品。采用中空的曲面载流体，由至少一层金属层和一层电介质层相间设置构成复合结构，金 属-电介质多层复合曲面结构需要被构造为球面几何体或者圆柱几何体，以此有效避免光经 过不同距离而衰减不同而引起的相差。被测样品置于其中空腔内。参见图l，本实施例中，曲面载流体是沿轴向切面形成的中空半圆柱体，在其切面上以 遮光层2覆盖。遮光层2选择厚度为50nm的铬Cr，或其他透射率为0的介质；在遮光层2上沿半圆柱 体的轴向开设50nm宽的透光缝3，这一结构形式是为遮挡光束，避免照射激发光直接照射 到成像屏上，影响观测。透光缝3位于载流管中轴的位置，由于遮光层2的阻挡，针对荧光染色生物样品的照射 激发光l只能够从狭缝中入射到载流管内，相当于线光源，从而消除载流管内反射光的影响。 金属层4选择10层厚度为35nm的金Au，电介质层5选择10层厚度为35nm的二氧化 硅Si02， 一层金属层和一层电介质层相间设置，构成复合结构复合在石英衬底上，构造为半 圆柱形的曲面复合超分辨载流管。内壁半径rin=0.26um外壁半径rout=0.96um。金属-电介质多层曲面结构在特定波长下整体可以被看作是法线和切线方向介电常数符 号相反的复合材料，从而调制其内光的传播只沿曲面法线方向。这样，光束在内壁照射待测 样品6，在普通透镜中无法传播的携带有精细结构信息的高频量在曲面复合超分辨载流管壁 内可以传播，且不会发生相互干涉，从载流管外壁出射时点距大于瑞利分辨极限，从而可以 在远场分辨，即可达到放大效果，超越瑞利分辨极限。金属-电介质的层数决定了超分辨成 像的放大倍率，在保证光束从外壁曲面出射时点距大于瑞利分辨极限的前提下可适当增减； 两个相隔距离小于瑞利分辨极限的微小生物样品6置入在载流管中；利用普通凸透镜7收集 照射后在远场所成的像，成像屏8可以采用CCD，以便将成像信息输入计算机进行分析。使用Hoechst 33258染色液对微小生物样品进行荧光染色操作，获得染色，溶于水溶液 并通入载流管中。以波长为350nm的照射激发光1照射载流管，激发光沿遮光板上面的透 光缝3进入载流管内部空间，经照射，被染色的微小生物样品6可被激发发出波长为460nm的荧光。二氧化硅Si02的介电常数εd=2.25 ， Au在波长为460nm时介电常数 εm=-1.735 + 5.095/ (金属的介电常数虚部在这里不必考虑)，满足εm<0， |εd|>|εm|，故而微小生物样品被激发的波长为460nrn的荧光可以沿曲面法线方向传播。在普通凸透镜7上 镀滤波膜，过滤掉波长为350nrn的照射激发光，使之无法透过凸透镜7，不会对成像造成干 扰，而允许波长为460nrn的荧光通过，从而可以在成像屏8上面观测生物样品的像。当两 个相隔距离小于瑞利分辨极限的微小生物样品相距140nm时，经过超分辨透镜出射放大， 在出射端面样品的像相距520nm，大于入射波长，如图2所示。入射端和出射端强度分布分 别如图3 (a)和图3 (b)，可以看到在出射端，样品间的距离被放大，大于瑞利分辨极限， 使其可以用传统光学结构分辨。出射的光束可由普通凸透镜聚焦，在载流管下方屏8上观测 所成的像，即可清晰分辨两个样品。实施例2:本实施例中，待测样品6是金属纳米颗粒样品。载流管构造方式同上，参见图l。本实施例中，曲面载流体是沿轴向切面形成的中空半 圆柱体，在其切面上以遮光层2覆盖。遮光层2选择厚度为50nm的铬Cr，或其他透射率为 O的介质；在遮光层2上沿半圆柱体的轴向开设50nm宽的透光缝3，这一结构形式是为遮 挡光束，避免照射激发光直接照射到成像屏上，影响观测。透光缝3位于载流管中轴的位置，照射光l只能够从狭缝中入射到载流管内，相当于线 光源，从而消除载流管内反射光的影响。金属层4选择15层厚度为20nm的银Ag，电介质层5选择14层厚度为20nm的氧化铝 A1203， 一层金属层和一层电介质层相间设置，构成复合结构复合在石英衬底上，构造为半 圆柱形的曲面复合超分辨载流管。内壁半径rin=0.42pm外壁半径r。u产l^m。载流管中放入金属铬Cr的纳米颗粒。以波长为365nrn的照射光1照射载流管，沿遮光 板上面的透光缝3进入载流管内部空间。氧化铝的介电常数&=3.2， Ag在波长为365nm 时介电常数e--2.4012 + 0.2488/ (金属的介电常数虚部在这里不必考虑)，满足^<0， ^|>|^|，故而照射光可以沿曲面法线方向传播，而由于铬Cr具有高吸收，照射光无法透 过，从而可以在成像屏8上面观测金属颗粒样品的像。当两个直径为80nm的金属纳米颗粒 样品相距160nm，小于瑞利分辨极限时，经过超分辨透镜出射放大，在出射端面样品的像相 距380nm，大于入射波长。如图4所示。入射端和出射端强度分布分别如图5 (a)和图5 (b)，可以看到在出射端，样品间的距离被放大，大于瑞利分辨极限，使其可以用传统光学 结构分辨。出射的光束可由普通凸透镜聚焦，在载流管下方屏8上观测所成的像，即可清晰 分辨两个样品。7
权利要求
1、曲面复合超分辨载流管，其特征是采用中空的曲面载流体，所述曲面载流体是由至少一层金属层和一层电介质层相间设置构成复合结构，被测样品置于其中空腔内。
2、 根据权利要求
1所述的曲面复合超分辨载流管，其特征是所述中空的曲面载流体是 沿轴向切面形成的中空半圆柱体，在其切面上以遮光层覆盖，在所述遮光层上沿所述半圆柱 体的轴向开设透光缝。
3、 根据权利要求
1所述的曲面复合超分辨载流管，其特征是所述金属层厚度为 10-lOOnm,所有各金属层厚度一致。
4、 根据权利要求
1所述的曲面复合超分辨载流管，其特征是所述电介质层厚度为 10-100nm，所有各电介质层厚度一致。
5、 根据权利要求
1所述的曲面复合超分辨载流管，其特征是所述金属层采用介电常数 在入射波长下为负值的金属材料。
6、 根据权利要求
5所述的曲面复合超分辨载流管，其特征是所述金属层为银Ag或金Au。
7、 根据权利要求
5所述的曲面复合超分辨载流管，其特征是所述电介质层采用介电常 数大于所述金属层介电常数实部绝对值的固态电介质。
8、 根据权利要求
7所述的曲面复合超分辨载流管，其特征是所述电介质层采用A1203， 或Si02。
9、 根据权利要求
1所述的曲面复合超分辨载流管，其特征是所述覆盖的遮光层是透射 率为0的介质。
10、 根据权利要求
9所述的曲面复合超分辨载流管，其特征是所述遮光层(2)采用金 属铬Cr。
专利摘要
曲面复合超分辨载流管，其特征是采用中空的曲面载流体，曲面载流体是由至少一层金属层和一层电介质层相间设置构成复合结构，被测样品置于其中空腔内。本发明通过构造金属和电介质的曲面复合结构，使之法线和切线方向介电常数符号相反，使得在普通透镜中无法传播的携带有精细结构信息的高频量在曲面复合超分辨载流管壁内可以传播，且不会发生相互干涉，从载流管外壁曲面出射时点距大于瑞利分辨极限，实现在远场观察到超衍射分辨率极限的纳米级的样品结构，其分辨率高，可避免近场探测的误差，远场成像更便于操作和应用。
文档编号G01Q30/20GKCN101329246SQ200810023714
公开日2008年12月24日 申请日期2008年4月18日
发明者海 明, 勇 曹, 沛 王, 鲁拥华 申请人:中国科学技术大学导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan