一種基于金屬納米線表面等離激元納米光源的光學(xué)顯微鏡的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于近場光學(xué)顯微測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于金屬納米線表面等離激元納米光源的光學(xué)顯微鏡。
【背景技術(shù)】
[0002]由于瑞利分辨率的限制，傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡分辨率被限制在所使用的照明光波長范圍。人們對突破衍射極限的光學(xué)顯微技術(shù)的探索已經(jīng)進(jìn)行了幾十年。掃描近場光學(xué)顯微鏡(Scanning Near-field Optical Microscopy,以下簡稱SNOM)是基于掃描探針的近場光學(xué)顯微技術(shù)，其分辨率突破光學(xué)衍射極限，最高可達(dá)到約10納米，是對常規(guī)光學(xué)顯微鏡的革命。掃描近場光學(xué)顯微鏡因?yàn)獒樇鈺咏鼧悠返綆字潦畮准{米的距離，從而探測樣品的近場光學(xué)信息，因此被稱為掃描近場光學(xué)顯微鏡。
[0003]基于針尖在儀器中的不同角色，掃描近場光學(xué)顯微鏡有多種工作方式:(I)照射模式，一般用光纖鍍膜探針作為納米光源；(2)接收模式，一般用光纖探針作為接受器，包括用光纖探針將消逝場轉(zhuǎn)化為傳播場；(3)反射模式，鍍膜光纖既是光源也是接受器，適用于不透明的樣品；(4)散射模式，針尖將傳播光場或消逝光場散射后被遠(yuǎn)場收集，多適用于不透明的樣品。在以上的配置方式中，探針的質(zhì)量決定了SNOM圖像的分辨率和信噪比，是SNOM中的關(guān)鍵技術(shù)。目前國際上最為常用的有孔探針是錐形光纖微探針。
[0004]基于針尖是否傳導(dǎo)光學(xué)信號，掃描近場光學(xué)顯微鏡可以分為兩大類:孔徑型和無孔徑型。對于孔徑型近場光學(xué)顯微鏡，人們通常使用尖端尺度很小的錐形光纖或中空的尖端鉆孔的塔形結(jié)構(gòu)作為納米尺度的照射光源;然而，尖端小尺度的錐形光纖無法支持高強(qiáng)度的入射光，大部分的入射光在尖端處被反射，并且高強(qiáng)度光產(chǎn)生的熱效應(yīng)會破壞光纖的尖端。對于無孔徑型近場光學(xué)顯微鏡，近場散射很難保持信號光偏振信息的完整性，并且，入射背景光的強(qiáng)度非常高，如何降低背景提高信噪比是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)。
[0005]因此，提出一種具有高性噪比、高保偏性的近場掃描光學(xué)顯微鏡，是本領(lǐng)域急需解決的重大難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的第一個(gè)目的是解決孔徑型近場光學(xué)顯微鏡無法支持高強(qiáng)度的入射光、無孔徑型近場光學(xué)顯微鏡無法保持近場光偏振信息的完整性，以及入射背景光的強(qiáng)度非常高導(dǎo)致信噪比低的問題，利用金屬納米線表面等離激元發(fā)射的優(yōu)異光學(xué)特性，提出通過光纖近場親合或者遠(yuǎn)場照明的方式在金屬納米線的一端激發(fā)表面等離激元，表面等離激元在納米線另一端的發(fā)射作為激發(fā)樣品的光源。
[0007]本發(fā)明的第二個(gè)目的是解決將金屬納米線同掃描探針固定并將光耦合進(jìn)金屬納米線的問題，提出金屬納米線掃描探針的幾種制備方法。
[0008]本發(fā)明的第三個(gè)目的是解決提高掃描分辨率、增強(qiáng)系統(tǒng)信噪比、實(shí)現(xiàn)特定方向出射/偏振等光學(xué)功能的問題，提出金屬納米線探針的修飾方案。
[0009]本發(fā)明的第四個(gè)目的是解決手性生物分子的高空間分辨率光學(xué)識別和成像的問題，提出通過激發(fā)方式調(diào)控金屬納米線的發(fā)射偏振特性，得到偏振可調(diào)的納米光源。
[0010]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
第一，提供一種基于金屬納米線表面等離激元納米光源的光學(xué)顯微鏡，包括金屬納米線掃描探針，近場光學(xué)顯微鏡的針尖反饋，掃描平臺以及測量光路，該光學(xué)顯微鏡采用金屬納米線中傳播型表面等離激元作為納米光源;所述金屬納米線掃描探針包括粘結(jié)在石英共振音叉或原子力顯微鏡探針上的金屬納米線，或粘結(jié)在所述石英共振音叉上含有所述金屬納米線的空心光纖管;所述測量光路采用顯微鏡進(jìn)行宏觀光路與微觀光路的橋接，外接光源，采用載波技術(shù)進(jìn)行弱信號探測，采用偏振光譜與單色儀配合相應(yīng)的濾波片進(jìn)行波長分光，采用CCD、單光子計(jì)數(shù)器收集光學(xué)信號。
[0011]進(jìn)一步，所述納米光源是通過光纖近場耦合或者遠(yuǎn)場照明的方式在所述金屬納米線的一端激發(fā)表面等離激元，所述表面等離激元在所述金屬納米線另一端發(fā)射作為激發(fā)樣品的光源。
[0012]進(jìn)一步，所述金屬納米線的金屬材料采用金、銀、招，所述金屬納米線的直徑為25-200納米。
[0013]進(jìn)一步，所述外接光源為激光、可見光、近紅外光或紅外光。
[0014]進(jìn)一步，所述近場光學(xué)顯微鏡的針尖反饋采用微懸臂梁或石英共振音叉進(jìn)行反饋。
[0015]更進(jìn)一步，所述掃描平臺包括平移臺和壓電陶瓷，所述平移臺用于粗調(diào)，所述壓電陶瓷用于精細(xì)調(diào)節(jié)。
[0016]更加進(jìn)一步，所述空心光纖管由光纖或石英管經(jīng)光纖拉伸機(jī)拉伸制得，其直徑為微米量級。
[0017]第二，提供一種制備用于基于金屬納米線表面等離激元納米光源的光學(xué)顯微鏡的金屬納米線掃描探針的方法，所述方法包括選自如下各項(xiàng)的方法:
(I)方法一，其步驟包括:采用顯微物鏡遠(yuǎn)場照明的方法來激發(fā)所述金屬納米線，通過所述金屬納米線端頭的局域光場增強(qiáng)效應(yīng)來探測信號;在所述金屬納米線一端粘上粘稠物質(zhì)，用微操臺精確控制將所述金屬納米線貼到作為表面探針的石英共振音叉表面上或原子力顯微鏡探針的表面上，并進(jìn)行固化連接，即制得所述金屬納米線掃描探針。
[0018](2)方法二，其步驟包括:采用所述空心光纖管作為光波導(dǎo)來激發(fā)所述金屬納米線，用微操臺將所述金屬納米線一端吸入到所述空心光纖管中，然后將吸入了所述金屬納米線的空心光纖管粘到所述石英共振音叉上面，所述空心光纖管與所述金屬納米線同時(shí)作為所述金屬納米線掃描探針。
[0019]進(jìn)一步，所述微操臺的核心部件為與顯微鏡聯(lián)合在一起的微米級精度手控調(diào)節(jié)平臺。
[0020]更進(jìn)一步，所述(I)方法一所述粘稠物質(zhì)為紫外固化膠，所述固化連接是通過紫外曝光固化連接。
[0021]第三，提供一種用于基于金屬納米線表面等離激元納米光源的光學(xué)顯微鏡的金屬納米線掃描探針的修飾方法，通過FIB刻蝕、化學(xué)液相腐蝕改變金屬納米線端頭的形貌，通過微納操控技術(shù)在所述金屬納米線端頭組裝金屬納米顆粒、發(fā)光分子。
[0022]第四，提供一種基于金屬納米線表面等離激元納米光源的光學(xué)顯微鏡的應(yīng)用，通過激發(fā)方式調(diào)控所述金屬納米線的發(fā)射偏振特性，得到偏振可調(diào)的納米光源，用于對偏振敏感材料的近場高分辨顯微成像。
[0023]進(jìn)一步，所述激發(fā)方式是通過改變?nèi)肷涔馄窈腿肷浞较虻姆绞絹碚{(diào)控所述金屬納米線中縱向基模m=0和橫向偶極子模式m=± I的激發(fā)強(qiáng)度和相位差，控制金屬納米線端頭的發(fā)射光偏振特性。
[0024]更進(jìn)一步，所述發(fā)射光為圓偏振時(shí)，用于手性生物分子的高空間分辨率光學(xué)識別和成像。
[0025]本發(fā)明利用金屬納米線表面等離激元發(fā)射的優(yōu)異光學(xué)特性，包括特定角度發(fā)射、局域電磁場增強(qiáng)、發(fā)射偏振特性可調(diào)等。采用金屬納米線中傳播型表面等離激元作為納米光源，與孔徑型近場光學(xué)顯微鏡相比，由于金屬納米線的金屬材質(zhì)以及表面等離激元在傳播過程中被束縛在金屬納米線表面而不泄漏的特點(diǎn)，可承受更高強(qiáng)度的遠(yuǎn)場入射光;與無孔型近場光學(xué)顯微鏡相比，金屬納米線表面等離激元的