基于倏逝波照明的空間移頻超分辨成像技術(shù)研究*

凌進(jìn)中 郭金坤 王昱程 劉鑫 王曉蕊?

1) (西安電子科技大學(xué)光電工程學(xué)院,西安 710071)

2) (中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所,瞬態(tài)光學(xué)與光子技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710119)

空間移頻超分辨成像技術(shù)利用樣品表面的微納結(jié)構(gòu)對(duì)照明倏逝波的散射,使其轉(zhuǎn)換為傳播波,并將倏逝波攜帶的高頻空間信息轉(zhuǎn)換成低頻信息,可被遠(yuǎn)場(chǎng)的顯微物鏡所接收,實(shí)現(xiàn)超分辨成像.其極限分辨率由照明的倏逝波波長(zhǎng)決定,但分辨率僅在倏逝波波矢方向上有提升.在現(xiàn)有的棱鏡全反射倏逝波生成方案中,倏逝波的最短波長(zhǎng)受棱鏡折射率的限制,因此其最高分辨率也受限制;且生成的倏逝波波矢為單一方向,因此分辨率存在方向差異性.為解決上述問(wèn)題,建立了完整的空間移頻超分辨成像仿真模型,并提出了一種新型倏逝波生成方案,可利用微納結(jié)構(gòu)產(chǎn)生波長(zhǎng)更短、具有全方向波矢的倏逝波.結(jié)果顯示,新方案可產(chǎn)生波長(zhǎng)更短的倏逝波,并消除成像分辨率的方向差異性,從而避免現(xiàn)有方案中的多方位成像和圖像后處理.空間移頻超分辨成像技術(shù)具有大視場(chǎng)、高分辨、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、無(wú)需逐點(diǎn)掃描、可與普通光學(xué)顯微鏡兼容等優(yōu)點(diǎn),改進(jìn)后將具有更廣闊的應(yīng)用空間.

1 引言

自阿貝提出衍射極限以來(lái),科學(xué)家們利用各種技術(shù)手段繞過(guò)或突破光學(xué)衍射極限,以實(shí)現(xiàn)超高成像分辨率,并數(shù)次獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)和化學(xué)獎(jiǎng).其中以受激發(fā)射損耗熒光顯微鏡、隨機(jī)光學(xué)重建顯微鏡、光激活定位顯微鏡為代表的熒光超分辨顯微鏡實(shí)現(xiàn)了納米級(jí)的成像分辨率,從而極大地促進(jìn)了生物醫(yī)療及生命科學(xué)的進(jìn)步.然而在非熒光成像領(lǐng)域,雖有眾多超分辨成像技術(shù),例如結(jié)構(gòu)光照明顯微術(shù)[1,2]、光學(xué)超振蕩透鏡[3,4]、點(diǎn)擴(kuò)散工程[5,6]、微球輔助納米顯微鏡[7—10]等,但都受限于理論本身或工程實(shí)際,分辨率很難突破50 nm,距離納米級(jí)的成像分辨率還有很大的差距.

空間移頻超分辨成像(spatial frequency shift super-resolution imaging,SFSSRI)是一種極具潛力的納米成像技術(shù),可利用樣品表面微納結(jié)構(gòu)對(duì)入射倏逝波的散射,使之轉(zhuǎn)換成傳播波,進(jìn)而獲取樣品表面的超精細(xì)空間信息,其極限分辨率由倏逝波的波長(zhǎng)決定.受合成孔徑成像技術(shù)的啟發(fā),SFSSRI技術(shù)也是通過(guò)空間頻譜的移動(dòng)、拼接等操作來(lái)獲取目標(biāo)的更高空間頻率信息,從而實(shí)現(xiàn)更高的成像分辨率.國(guó)外學(xué)者對(duì)SFSSRI 技術(shù)的原理進(jìn)行了大量研究,并拓展了相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域.在成像原理上,由空間頻譜成像技術(shù)拓展出了集成干涉成像系統(tǒng)[11,12]、傅里葉疊層成像技術(shù)[13]、合成孔徑顯微鏡[14]等.例如美國(guó)康涅狄格大學(xué)Zheng 等[13]利用不同角度照明所對(duì)應(yīng)的不同空間頻率,合成出超越物鏡本身分辨率的超分辨圖像;Lee 和Weiner[14]提出一種利用相位恢復(fù)來(lái)獲得更高空間頻率的超分辨成像方法;Alekseyev 等[15]利用聲子散射,將倏逝波轉(zhuǎn)化成遠(yuǎn)場(chǎng)傳導(dǎo)波,實(shí)現(xiàn)了可見(jiàn)光波段的SFSSRI,并可推廣至紅外和太赫茲波段.在應(yīng)用上,Kim等[16]利用合成孔徑顯微鏡技術(shù)獲得了超越衍射極限的成像分辨率,并對(duì)肝細(xì)胞進(jìn)行了清晰成像.文獻(xiàn)[17—21]對(duì)SFSSRI 技術(shù)進(jìn)行了深入的研究,并指出了該方案的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題.2013 年,Hao 等[17]提出了一種利用納米光纖泄露的倏逝波進(jìn)行照明的超分辨成像方案,并實(shí)驗(yàn)證實(shí)了SFSSRI 的可行性.同年,Hao 等[18]又利用棱鏡全反射產(chǎn)生的倏逝波進(jìn)行近場(chǎng)照明,實(shí)現(xiàn)了150 nm 的成像分辨率,并研究了倏逝波波矢與光柵矢量夾角對(duì)成像分辨率的影響,即只有在波矢方向上可以獲得最高的成像分辨率,而在與之垂直的方向上,分辨率并沒(méi)有改善.為此,將多個(gè)方向倏逝波照明成像的結(jié)果進(jìn)行后處理,可獲得完整的超分辨圖像.2017 年,Liu等[19]利用熒光納米線(xiàn)環(huán)的近場(chǎng)照明,實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)場(chǎng)超分辨成像;2019 年,Pang 等[20]深入研究了SFSSRI技術(shù)中存在的像質(zhì)問(wèn)題,指出了空間移頻成像技術(shù)中的放大率畸變和部分頻譜缺失問(wèn)題.2021 年,Ling 等[22]利用微粒散射光的近場(chǎng)照明,實(shí)現(xiàn)了SFSSRI,驗(yàn)證了該方案中成像分辨率的方向差異性,并提出了一種環(huán)形照明方案以解決上述成像質(zhì)量問(wèn)題.

然而,上述模型中倏逝波的最短波長(zhǎng)仍受光學(xué)材料折射率的限制,無(wú)法進(jìn)一步提升系統(tǒng)的成像分辨率.為解決上述問(wèn)題,本文提出一種基于微納結(jié)構(gòu)的新型倏逝波生成方案,可突破材料折射率的限制,實(shí)現(xiàn)更短的倏逝波波長(zhǎng).另外,所生成的倏逝波具有全方向波矢,因此在各個(gè)方向上具有相同的成像分辨率,解決了成像分辨率方向差異性問(wèn)題.仿真結(jié)果驗(yàn)證了新方案的可行性,可極大提升空間移頻成像技術(shù)的成像效率,為該技術(shù)的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ).

2 理論分析

2.1 SFSSRI 技術(shù)及其分辨率極限

根據(jù)空間頻率和分辨率的關(guān)系,只要能夠獲取目標(biāo)的高頻空間信息,即可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的超分辨成像.然而,普通的光學(xué)成像系統(tǒng)都是低通濾波器,超過(guò)物鏡自身截止頻率Kmax的高頻信號(hào)都無(wú)法進(jìn)入物鏡.截止頻率對(duì)應(yīng)的空間距離,即為成像物鏡的極限分辨率.受合成孔徑技術(shù)的啟發(fā),研究人員提出SFSSRI 技術(shù),通過(guò)調(diào)制技術(shù)將物鏡原本無(wú)法接收的高頻信息轉(zhuǎn)移到物鏡的低通頻帶范圍內(nèi),從而實(shí)現(xiàn)超越衍射極限的成像分辨率.例如結(jié)構(gòu)光照明技術(shù),物鏡接收到的空間頻率Krec為樣品空間表面結(jié)構(gòu)的空間頻率Kobj與照明光場(chǎng)空間頻率Kill的差頻信號(hào),即

由于Krec的極限為衍射極限所對(duì)應(yīng)的截止頻率Kmax,而對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)照明光的空間頻率同樣受到衍射極限的限制,即Kill的極值也是Kmax.因此,該方案中能夠獲取的樣品空間頻率的理論極限為2Kmax,即分辨率提升1 倍.若需進(jìn)一步提升成像分辨率,則只能選擇空間頻率更高的倏逝波作為照明光場(chǎng).若倏逝波的空間頻率為Kevan,則成像系統(tǒng)能接收的最高頻率為Kevan+Kobj,因此最小可分辨距離Λmin為

其中,λevan為照明倏逝波的波長(zhǎng),d為物鏡能分辨的最小距離.因此在物鏡已經(jīng)確定的情況下,可通過(guò)縮短照明倏逝波的波長(zhǎng)來(lái)不斷提升系統(tǒng)的成像分辨率.

在圖1 所示的成像頻譜空間中,物鏡原本能夠接收的空間頻率范圍為藍(lán)色圓形部分,其最大值為Kmax.若照明倏逝波的波矢為沿x軸的Kevan,經(jīng)過(guò)移頻后,則物鏡能夠成像的頻譜范圍整體向右平移,如圖1 中虛線(xiàn)包括的范圍.因此,在基于近場(chǎng)照明的移頻成像系統(tǒng)中,沿倏逝波波矢方向可獲得超越衍射極限的分辨率,而在與之垂直的方向上,其分辨率不會(huì)發(fā)生改變,即系統(tǒng)在各個(gè)方向上分辨率不同.由此可見(jiàn),SFSSRI 技術(shù)中存在兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題: 如何縮短倏逝波的波長(zhǎng),以進(jìn)一步提升系統(tǒng)的成像分辨率;如何解決成像系統(tǒng)的分辨率方向差異性.

圖1 空間移頻成像中的頻譜移動(dòng)示意圖Fig.1.Spatial frequency shifting in imaging system.

2.2 倏逝波的產(chǎn)生及其波長(zhǎng)、波矢

倏逝波的產(chǎn)生在SFSSRI 技術(shù)中至關(guān)重要,而最常見(jiàn)的方式為利用直角棱鏡的全反射來(lái)生成倏逝波,如圖2(a)所示.光線(xiàn)垂直入射進(jìn)入棱鏡,在棱鏡的上表面發(fā)生全反射,即在棱鏡的上方出現(xiàn)了一層向右傳播的倏逝場(chǎng),記作Kevan,其在垂直方向上振幅呈指數(shù)衰減,因此可滲透的深度約為一個(gè)波長(zhǎng)的距離.生成的倏逝波波長(zhǎng)與棱鏡的折射率以及入射角有關(guān),可表示為

圖2 兩種倏逝波的產(chǎn)生方案 (a) 基于棱鏡全反射;(b) 基于微納結(jié)構(gòu)的倏逝波生成Fig.2.Two methods for the generation of evanescent wave:(a) Scheme based on the total internal reflection at upper surface of prism;(b) scheme based on the transmission wave from nano-structures.

其中λ0為入射光的波長(zhǎng),n為棱鏡的折射率,而θ 為發(fā)生全反射時(shí)的入射角.由此可見(jiàn),全反射時(shí)倏逝波的波長(zhǎng)受到棱鏡折射率和入射角度的限制,無(wú)法不斷縮短,因此近場(chǎng)照明成像系統(tǒng)的分辨率也無(wú)法不斷提升.

而另一種產(chǎn)生倏逝波的方法為微納結(jié)構(gòu)對(duì)光場(chǎng)的調(diào)制,如圖2(b)所示.當(dāng)平面波從基底入射到帶有微納結(jié)構(gòu)的上表面時(shí),由于微納結(jié)構(gòu)的折射率調(diào)制,使得透射光的波前被調(diào)制,從而形成了帶有高頻空間信息的倏逝波.經(jīng)過(guò)一段距離的傳輸,倏逝場(chǎng)的振幅按指數(shù)衰減,只剩下傳播場(chǎng)信息,即在距離微納結(jié)構(gòu)一個(gè)波長(zhǎng)以?xún)?nèi)的近場(chǎng)區(qū)域,同時(shí)包含倏逝場(chǎng)和傳播場(chǎng),而在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域僅有傳播場(chǎng).

為對(duì)比兩種方案所產(chǎn)生倏逝波的特性差異,將二者在分界面處的光強(qiáng)分布和相位分布進(jìn)行仿真,如圖3 所示.當(dāng)波長(zhǎng)為500 nm 的平面波以45°入射在n=2.0 的棱鏡上表面全反射時(shí),分界面下方的光強(qiáng)為入射光和反射光干涉形成的條紋,而分界面上方的光強(qiáng)呈指數(shù)衰減,如圖3(a)所示.圖3(b)為分界面上的光場(chǎng)相位分布,根據(jù)等相位面可知倏逝波的波矢方向向右,其波長(zhǎng)約為350 nm,與(3)式的計(jì)算結(jié)果一致.與棱鏡全反射模型相比,利用微納結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的倏逝波無(wú)法與透射場(chǎng)分開(kāi),即在微納結(jié)構(gòu)上方的近場(chǎng)區(qū)域內(nèi)既存在倏逝波也有傳播波.例如采用周期為400 nm、線(xiàn)寬100 nm,深度400 nm,折射率為3 的矩形光柵作為倏逝波生成器,若波長(zhǎng)為500 nm 的平面波垂直入射后,其表面的相位分布如圖3(c)所示.在近場(chǎng)區(qū)域,原本的平面波前受到微納結(jié)構(gòu)的調(diào)制,變成了攜帶高頻空間信息的正弦型波前;而當(dāng)遠(yuǎn)離微納結(jié)構(gòu)時(shí),高頻信息丟失,其波前又恢復(fù)為平面.將探測(cè)器放置在微納結(jié)構(gòu)上方的近場(chǎng)區(qū)域,可獲得其相位分布,如圖3(d)所示.兩個(gè)相鄰的等相位面之間的間隔為倏逝波的波長(zhǎng),恰好等于微納結(jié)構(gòu)的周期,波矢方向?yàn)榇怪庇诘认辔幻娴姆较?因此,可通過(guò)更加精細(xì)的微納結(jié)構(gòu)來(lái)獲取更短波長(zhǎng)的倏逝波.

圖3 兩種方案中倏逝波的特性比較 (a) 棱鏡全反射時(shí)橫截面上的光強(qiáng)分布;(b) 棱鏡上表面的相位分布;(c) 微納結(jié)構(gòu)附近的相位分布;(d)微納結(jié)構(gòu)上方探測(cè)器位置的相位分布Fig.3.Comparison of evanescent wave generated by above two methods: (a) Light intensity distribution around the interface of prism when total internal reflection occurs;(b) light phase distribution at the upper interface of prism;(c) light phase distribution around the nano-structure;(d) phase distribution at the monitor closely above the nano-structure.

3 建模與仿真研究

3.1 SFSSRI 仿真模型的建立

根據(jù)SFSSRI 的過(guò)程,可將其分為3 個(gè)部分:倏逝波的產(chǎn)生及其與樣品的相互作用;樣品表面的光場(chǎng)傳輸至焦平面;焦平面上的光場(chǎng)分布經(jīng)過(guò)透鏡組后到達(dá)像面,在CCD 上成像,如圖4 所示.無(wú)論是棱鏡全反射、還是微納結(jié)構(gòu)模型,均可以使用時(shí)域有限差分法(finite-difference time-domain algori thm,FDTD)來(lái)仿真倏逝波的產(chǎn)生,以及倏逝波與微納結(jié)構(gòu)的相互作用;再使用衍射的角譜理論,將近場(chǎng)探測(cè)器獲得的光場(chǎng)信息投影至物鏡的焦平面位置,從而獲得焦平面上的光場(chǎng)信息;最后,使用Chirp-Z 變換來(lái)計(jì)算經(jīng)過(guò)顯微物鏡和筒鏡后在像面上得到的成像結(jié)果.

圖4 SFSSRI 仿真模型示意圖Fig.4.Schematic diagram of the simulation model for SFSSRI.

3.2 SFSSRI 特性的驗(yàn)證

為驗(yàn)證成像模型的正確性,選擇了一組3 條線(xiàn)的成像樣品,線(xiàn)條寬度為100 nm,相鄰線(xiàn)條的中心間隔為d,如圖5(a)所示.仿真中使用的入射光波長(zhǎng)為500 nm,物鏡的數(shù)值孔徑(numerical aperture,NA)為0.9.首先,用平面波直接照明成像樣品,驗(yàn)證遠(yuǎn)場(chǎng)照明時(shí)系統(tǒng)的成像分辨率.當(dāng)線(xiàn)條間隔為500 nm 時(shí),3 條線(xiàn)可以清晰成像,如圖5(b)所示;當(dāng)線(xiàn)條間隔縮小至460 nm 時(shí),3 線(xiàn)條恰好可分辨,如圖5(c)所示;繼續(xù)縮小線(xiàn)條間距至430 nm 時(shí),3 條線(xiàn)的中心位置連為一體,線(xiàn)條無(wú)法分辨,如圖5(d)所示.由此可見(jiàn)系統(tǒng)的最小可分辨距離約為460 nm,與理論值基本一致.隨后,使用全反射時(shí)棱鏡上表面的倏逝波來(lái)照明樣品,棱鏡的折射率n=1.5,其成像結(jié)果如圖5(e)和圖5(f)所示.當(dāng)線(xiàn)條間隔為300 nm 時(shí),3 條線(xiàn)可以清晰分辨,而當(dāng)間隔縮短至280 nm 時(shí),3 條線(xiàn)隱約可見(jiàn).相比遠(yuǎn)場(chǎng)照明,倏逝波的近場(chǎng)照明顯著提升了系統(tǒng)的成像分辨率.若提升棱鏡的折射率至n=1.8,則系統(tǒng)的成像分辨率可進(jìn)一步提升,間隔為280 nm 的樣品仍然可清晰分辨,而間隔為250 nm 時(shí)無(wú)法分辨,如圖5(g)和圖5(h)所示.根據(jù)(3)式,全反射時(shí)倏逝波的波長(zhǎng)由棱鏡的折射率和入射角決定,無(wú)法繼續(xù)縮短.因此,要進(jìn)一步提升成像分辨率,就必須另辟蹊徑,以產(chǎn)生更短波長(zhǎng)的倏逝波.

圖5 遠(yuǎn)場(chǎng)照明與近場(chǎng)照明時(shí)的成像分辨率比較 (a) 成像目標(biāo)及參數(shù);(b)—(d)遠(yuǎn)場(chǎng)照明的成像結(jié)果;(e),(f) 棱鏡折射率n=1.5 時(shí)的近場(chǎng)照明成像結(jié)果;(g),(h) 棱鏡折射率n=1.8 時(shí)的近場(chǎng)照明成像結(jié)果Fig.5.Imaging resolution contrast between far-field illumination and near-field evanescent wave illumination: (a) Imaging target and its parameters;(b)—(d) imaging results obtained by far-field illumination;(e),(f) imaging results of near-field illumination when the refractive index of prism n=1.5;(g),(h) imaging results of near-field illumination when the refractive index of prism n=1.8.

為驗(yàn)證空間移頻成像中分辨率的方向差異性,繼續(xù)選用線(xiàn)寬100 nm、間隔300 nm 的線(xiàn)狀樣品進(jìn)行測(cè)試.樣品方向與棱鏡表面所產(chǎn)生的倏逝波波矢如圖6(a)所示,其中倏逝波沿x軸方向傳播,線(xiàn)條方向與y軸的夾角為θ.當(dāng)θ=0°時(shí),線(xiàn)條方向與倏逝波的波矢方向垂直,此時(shí)成像結(jié)果中3 條線(xiàn)清晰可辨,如圖6(b)所示;整體旋轉(zhuǎn)樣品,保持線(xiàn)條的間距不變,成像結(jié)果如圖6(c)—(g)所示.隨著樣品方向的改變,其成像結(jié)果中3 條線(xiàn)逐漸變得模糊,當(dāng)θ ＞ 30°時(shí),3 條線(xiàn)無(wú)法分辨.由此可見(jiàn),在倏逝波的波矢方向上,成像分辨率較高,其極限分辨率取決于倏逝波的波長(zhǎng),而在與之垂直的方向上,分辨率最低,與遠(yuǎn)場(chǎng)照明時(shí)的分辨率無(wú)異.

圖6 SFSSRI 中的分辨率方向差異性 (a) 成像樣品的方位示意圖;(b)—(g) 不同方位角時(shí)樣品的成像結(jié)果Fig.6.Directional differences in imaging resolution of spatial frequency shift super-resolution imaging: (a) Imaging target and its direction;(b)—(g) imaging results obtained at different azimuth angles.

3.3 新型倏逝波生成器及其在SFSSRI 中的應(yīng)用

為解決基于棱鏡全反射的倏逝波生成器中出現(xiàn)的上述問(wèn)題,提出一種新型倏逝波生成器,如圖7(a)所示.其核心部件為透明基底上的同心圓環(huán)形狀的微納結(jié)構(gòu)(周期300 nm,線(xiàn)寬150 nm,深度200 nm,折射率為2),圓環(huán)中心半徑1 μm 的圓形區(qū)域不設(shè)微納結(jié)構(gòu);相鄰圓環(huán)間的間隔可調(diào)控倏逝波的波長(zhǎng);圓環(huán)的折射率和厚度可調(diào)制近場(chǎng)區(qū)域相位差的大小.由于該結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性,可生成具有全方向波矢的倏逝波,即圓環(huán)中心位置的光場(chǎng)具有任意方向的波矢,因此可解決棱鏡全反射模型中的分辨率方向差異性問(wèn)題.其生成倏逝波的相位分布如圖7(b)所示,其中藍(lán)色部分為微納結(jié)構(gòu)對(duì)平面波前調(diào)制后的結(jié)果;中心區(qū)域的相位為倏逝波向內(nèi)傳輸形成的相位分布;白色箭頭方向垂直于等相位面,為波矢方向.

圖7 微納結(jié)構(gòu)及其產(chǎn)生的倏逝波 (a) 微納結(jié)構(gòu)示意圖;(b) 微納結(jié)構(gòu)表面倏逝波的相位分布Fig.7.Directional differences in imaging resolution of spatial frequency shifting super-resolution imaging method: (a) Sketch of the nano-structure;(b) phase distribution of the evanescent wave generated above the upper surface of nano-structure.

將上述微納結(jié)構(gòu)中心區(qū)域生成的倏逝波用于近場(chǎng)照明成像,并與棱鏡全反射時(shí)生成的倏逝波照明成像進(jìn)行比較,可看出二者的明顯區(qū)別.分別選擇線(xiàn)寬150 nm、周期300 nm 的一組同心圓環(huán)和線(xiàn)寬100 nm、周期300 nm 的一組十字條紋作為成像目標(biāo),如圖8(a)和圖8(b)所示.利用棱鏡全反射時(shí)產(chǎn)生的倏逝波進(jìn)行照明,其成像結(jié)果如圖8(c)和圖8(d)所示,從圖中可看出不同方向的分辨率差異以及圖像的強(qiáng)度差異;改用上述微納結(jié)構(gòu)中心區(qū)域的倏逝場(chǎng)近場(chǎng)照明,其成像結(jié)果如圖8(e)和圖8(f)所示,其成像分辨率和成像強(qiáng)度在各方向基本一致,因此可避免因倏逝波方向單一而帶來(lái)的分辨率方向差異性.

圖8 不同倏逝波的成像性能比較 (a),(b) 成像樣品的結(jié)構(gòu)示意圖;(c),(d) 利用棱鏡全反射所生成的倏逝波照明的成像結(jié)果;(e),(f) 利用微納結(jié)構(gòu)生成的倏逝波照明的成像結(jié)果Fig.8.Comparison of imaging characteristic under different evanescent wave illumination: (a),(b) Sketch of the imaging targets;(c),(d) imaging results obtained under the evanescent wave illumination generated by the total internal reflection at prism surface;(e),(f) imaging results obtained under the evanescent wave illumination generated by nano-structures.

最后,為驗(yàn)證基于微納結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的超短倏逝波具有極高的成像分辨率,選擇線(xiàn)寬100 nm,周期200 nm,深度200 nm,折射率為2 的一維矩形光柵結(jié)構(gòu)作為倏逝波生成器,將其生成的波長(zhǎng)為200 nm 的倏逝波用于近場(chǎng)照明成像.遠(yuǎn)場(chǎng)入射光波長(zhǎng)為500 nm,顯微物鏡的數(shù)值孔徑為0.9.成像樣品為間距漸變的線(xiàn)狀樣品和點(diǎn)狀樣品,其結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖9(a)所示,最小間隔為160 nm,最大間隔為220 nm.成像結(jié)果如圖9(b)所示,從圖中可以看出,當(dāng)相鄰線(xiàn)條的中心間距大于180 nm 時(shí),兩條線(xiàn)可分辨.若中心間距小于180 nm 時(shí),則兩條線(xiàn)相互融合,無(wú)法分辨.換點(diǎn)狀目標(biāo)后,有類(lèi)似的成像效果.因此,最小可分辨距離為180 nm,與(2)式中的理論預(yù)測(cè)基本一致.

圖9 超高成像分辨率的實(shí)現(xiàn) (a) 成像樣品的結(jié)構(gòu)示意圖;(b) 倏逝波照明的成像結(jié)果Fig.9.Realization of ultra-high imaging resolution: (a) Parameters of the imaging targets;(b) imaging results under evanescent wave illumination.

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)SFSSRI 系統(tǒng)的完整建模,仿真分析了其極限分辨率與照明倏逝波波長(zhǎng)的關(guān)系,并演示了其成像分辨率的方向差異性.為突破現(xiàn)有技術(shù)方案中棱鏡的材料折射率對(duì)極限分辨率的限制并解決其成像分辨率的方向差異性,提出一種基于微納結(jié)構(gòu)的倏逝波生成器,生成了波長(zhǎng)更短且具有全方向波矢的倏逝波,解決了單一方向倏逝波照明中存在的成像分辨率差異性問(wèn)題,從而避免了多次成像和圖像后處理,可極大地拓展該方案的應(yīng)用領(lǐng)域,為光學(xué)超分辨成像提供一種新的選擇.在后續(xù)工作中,我們將實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證上述結(jié)論,并深入研究SFSSRI技術(shù)中的頻譜拓寬技術(shù),以獲得更高的成像分辨率和更優(yōu)的成像質(zhì)量.