高光谱光学近场显微成像方法研究

Hyperspectral optical near-field imaging introduces the concept of hyperspectral imaging into near-field optical techniques. By using the optical probe, hyperspectral images can be obtained simultaneously with topographic image. The surface topography and transmission/scattering spectrum which excited by the broadband light source are collected point by point. This project intends to make use of theoretical analysis, numerical calculation, and the experiments to research hyperspectral optical near-field imaging method. The research contents are shown as follow. Firstly, the optical properties of noble metal structures and different type of near-field optical probes under the excitation of broadband light source are investigated by the finite difference time domain method. The interactions of optical fields between the tip and the sample during the imaging procedure will be considered in simulations. Then synchronous control of scan positioning and spectrometer CCD are experimentally developed as a key imaging technique, as well as the processing method for building near-field hyperspectral images from the spectral data in the each point of image. Finally, hyperspectral imaging method is demonstrated by experiments with particular samples (e.g., noble metal nanowires). The parameters in experiments are also optimized. Hyperspectral images will provide more information in both spatial dimensions and the spectral dimension. The results will reflect the optical response of research objects at different wavelengths.

高光谱近场显微成像是将高光谱成像的概念引入到近场光学技术中，利用光学探针逐点收集样品表面形貌和宽带光源激发出的透射/散射光谱，同步形成表面微观形貌像和高光谱像。本课题拟采取理论分析、数值计算和实验相结合的方法对高光谱近场显微成像进行研究，内容包括：首先利用时域有限差分法探讨在宽带激发光源的作用下贵金属纳米结构的光场与不同的近场光学探针的光场在成像过程中的相互作用；然后从实验上发展扫描定位与光谱仪CCD同步控制的成像关键技术以及从光谱数据中同步合成高光谱像的数据处理方法；最后对成像方法进行实验验证，优化各项实验参数条件，实现对特定样品（如：贵金属纳米线等）高光谱像的获取。高光谱像将在空间维和光谱维上展现更丰富的信息，在微纳米尺度上实现金属纳米结构光学现象/效应的可视化，反映研究对象在不同波长下的光学响应。

本课题发展了一种扫描探针近场探测技术和样品局域光谱技术相结合的显微成像方法，即借助扫描探针显微术在微纳米尺度进行样品表面形貌成像的优势，结合收集光路、光谱仪和电子倍增电荷耦合器件（EMCCD）等设施收集来自样品表面局域的光谱信息，进而形成样品表面微观形貌像和高光谱同步采集的技术方案。对照研究计划要点，课题组执行项目期间首先完成了搭建以双压电陶瓷片力传感器为核心的扫描探针显微成像系统；并与倒置光学显微镜相结合以实现探针/样品的观测及定位；实现了系统扫描成像与光谱仪同步的控制方法。然后，作为成像系统的关键技术之一，课题组着重对系统的扫描定位方法开展了研究；基于组合式三维扫描方式，完成了在成像系统中进行快速扫描的方法研究；在样品的定位技术上，课题组发展了一种基于切变力传感器的颗粒微操控方法，用于原位调整样品上贵金属颗粒的位置和取向。在成像系统中结合全反射棱镜，课题组研究了银纳米线结构被不同偏振态入射光所产生的隐失场激发后作为光波导及光学天线的特性。采用了热拉伸-化学腐蚀相结合的方法获得了抛物线外形光纤探针，并利用激光诱导沉积的方式来实现探针镀膜。利用时域有限差分方法对纳米颗粒-银纳米线、等离激元光波导及全金属光学探针的光学特性进行了数值模拟研究；结合成像系统特色开展系统拓展以及对金片和电池电极材料等试样的实验研究，观测到金片边缘的退偏振现象以及溶液环境中电极材料的充放电过程等实验数据。本课题执行期间共发表SCI论文9篇，获得国家发明专利授权3项；课题组毕业博士生2人，硕士生1人。本课题的研究成果将为在微纳米尺度上开展对材料表面特别是贵金属纳米结构表面光学现象/效应的观测提供新的实验手段。