基于超表面的表面等离激元结构光照明超分辨显微成像研究

As a new technology which can break through the diffraction limit, super-resolution microscopy has found important applications in many research domains. In this project, we will develop surface plasmon structured illumination super-resolution microscopy technique based upon novel metasurface designs, which have key advantages over traditional methods such as fast imaging, high contrast, super-high resolution, high efficient fluorescence and highly integratable. We will investigate (1) polarization-tunable metasurface based surface plasmon structured illumination and its theoretical model; (2) sub-wavelength complex structure designs and compression of surface plasmon polariton wavelength based on high refractive index material layer and its core imaging device designs; (3) building up the super-resolution microscopy system to realize imaging investigation of biological samples. The ultimate objective of this project is to compose surface plasmon structured illumination super-resolution microscopy system based on integratable metasurface devices, enabling super-resolution imaging of biological samples.

超分辨显微成像技术作为一种可突破光学衍射极限的成像技术，在许多学科的研究中有非常重要的应用价值。本项目开展基于超表面结构设计的表面等离激元结构光照明超分辨显微成像系统与技术的研究，具有快速成像、高对比度、超高分辨率、高效荧光激发以及易芯片化等优点。研究内容包括：（1）研究偏振调控型的超表面结构实现表面等离激元结构光场的调控理论研究，建立相关理论模型；（2）研究基于高折射率涂层的金属亚波长复合结构的设计以及其对表面等离激元波长的压缩，并进行核心成像元件的芯片化设计；（3）建立超分辨显微成像系统，实现对生物细胞样品膜结构的成像研究。本项目的最终目标是基于芯片化的超表面部件，建立表面等离激元结构光照明超分辨显微成像系统，并完成生物样品的超分辨显微成像。

本项目首先对表面等离激元（SPPs）开展了深入性研究，由于SPPs具有的近场能量增强以及突破衍射极限等优点，在微纳米光子学、微纳米信息处理、生物光子学等多个学科中得到广泛的研究与应用。但是，如何对任意可重构的动态表面等离激元场进行调控一直是本领域亟待解决的难题。本项目从理论和实验上论证了平面内傅里叶变换原理调控动态SPPs场的可行性，最终实现了二维可重构的SPPs场动态调控。.同时，本项目也重点研究了基于人工超表面结构的新型光学器件，如金属和介质的宽谱高效超表面，该部分成果可应用于手性分光和自旋复用的全息片，为三维成像、数据存储、光束整形等技术领域的发展提供了有力的工具。在轨道角动量(OAM)光束方面的研究，本项目创新性地提出了一种级联谐振腔器件的动态光子轨道角动量模式筛分和修复器，其原理主要是利用法布里-珀罗谐振腔中Gouy相位的累计不同，形成的腔长与OAM光束精确的匹配条件，从而实现OAM筛分和模式修复，该研究为下一代大容量，高速光通信技术提供了有效的解决方案。.在光学显微成像方面，本项目也研究了利用光学衍射层析和荧光成像相结合的原理，实现样品的三维折射率分布和荧光信号的同时原位测量并应用于活细胞的三维成像。同时，也讨论了基于人工超表面的结构光照明的超分辨成像技术，实现了突破衍射极限（四分之一波长量级）的分辨率。.综上所述，本项目的研究主要涉及了光与物质相互作用以及新型的光学器件，针对这一类问题的研究贯穿了光学、光子学、材料科学等学科的许多分支。本项目所涵盖的纳米尺度上操控光与物质的相互作用也是当今纳米光子学的核心研究内容之一，具有极丰富的研究内涵和广阔研究前景，项目的开展为纳米光子学领域的研究提供了新思路和新方法。