基于表面等离子体亚波长结构的相衬成像方法研究

Aiming to the diffraction limited resolution of conventional phase-contrast microscope,this project is proposed to achieve sub-diffraction phase-contrast imaging of transparent nano-objects. However, the reported plasmonic lens （Superlens or Hyperlens） are mainly focused on nano amplitude objects, which are pre-inscribed onto an opaque chrome film. To the best of our knowledge, there is no report on sub-diffraction imaging of nano phase objects by utilizing the plasmonic lens structures. According to structure optimization of plasmonics lens, it is numerically demonstrated that the spatial resolution down to 64 nm and minimum distinguishable refraction index difference down to 0.05. In this project, the principle and mechanism of sub-diffraction phase-contrast imaging are need to be further investigated.The impacts of geometry parameters and structures of plasmonic lengs on the spatial resolution and image contrast are analyzed and demonstrasted.New plasmonic lens structure with better phase-contrast performance would be optimized and fabricated. The plasmonic lens structure combined with Hyperlens or glass microsphere would achieve far-field sub-diffraction phase-contrast imaging.This would provied a new rout to achieve far-field nanoscope for application in the biology and materials.

针对传统相衬显微镜的分辨力衍射受限问题，提出基于表面等离子亚波长结构的超衍射相衬成像方法研究。国际上现有报道的表面等离子体（SP）透镜集中关注振幅型纳米物体的超衍射成像，然而，对于透明的位相型纳米物体相衬成像效果不理想。课题组前期开展位相型纳米物体的相衬成像方法和SP结构设计研究，获得半周期32nm的空间分辨力和折射率差0.05的折射率分辨力的理论相衬成像结果。本项目通过进一步开展纳米物体的相衬成像的机理和规律研究；成像对比度和空间分辨力的影响因素和优化设计方法等关键问题研究，建立位相型纳米物体相衬成像的数理模型和数值计算程序；厘清相衬成像的机理和SP结构的优化设计，搭建实验平台验证SP结构的相衬成像效果，实现结合扫描、放大等方式的远场超衍射相衬成像。为生物学、材料学等学科领域提供一种位相型纳米物体相衬成像的新途径。

表面等离子体（Surface Plasmon，SP）透镜可以超越光学衍射极限，从而实现对亚波长物体的超分辨率成像，但是对透明位相型纳米物体的成像分辨率很低，无法满足实际成像需求。本项目提出将等离子共振空穴结构与hyperlens结构相结合，目的是在远场实现对透明物体的相衬超分辨率成像。通过研究得到了改进后hyperlens结构的物理模型，分析获得了远场相衬超分辨成像的原理，探讨了相衬hyperlens的超分辨成像特性。结果表明，在365nm的入射波长下，最小的可区分的折射率差约为0.15；最小的可区分的物体中心半间距约为37nm，这对应于1/10的照明光波长。并且发现，存在等离子共振空穴的hyperlens结构，相比于普通的hyperlens，当物体中心间距大于100nm时，可以获得更高的成像对比度。除了对圆柱形hyperlens结构进行研究外，我们还探讨了球形hyperlens结构及其相衬成像性能，发现也具有较好的相衬成像能力。同时，本项目还研究了SP波照明的共振腔成像光刻结构以提高对纳米物体的成像对比度与均匀性。将金属/光刻胶/金属共振腔结构应用于SP波照明成像结构中还可以增大掩模与成像结构间的空气距离（也称工作距）。研究得到了SP波照明结构参数对成像强度和成像均匀性的影响规律。同时，分析了不同掩模特征尺寸下，离轴照明与SP照明条件下所成像的不均匀度和强度随空气距离的变化关系，发现在SP波照明模式下，成像光刻结构可以在较大的工作间距下获得较为均匀的纳米线条图像，说明了其优异的均匀成像性能。