中國科大研制出基于光學薄膜的平面型顯微成像元件

　　近日，中國科學技術大學物理學院光電子科學與技術安徽省重點實驗室/合肥微尺度物質科學國家研究中心教授張斗國研究組提出并實現了一種基于光學薄膜的平面型顯微成像元件，用作被測樣本的載波片，可在常規的明場光學顯微鏡上實現暗場顯微成像和全內反射成像，從而獲取高對比度的光學顯微圖像。研究成果以Planar photonic chips with tailored angular transmission for high-contrast-imaging devices為題，發表在Nature Communications上。

　　光學顯微鏡利用光學原理，把人眼不能分辨的微小物體放大成像，進而拓寬人類觀察物質結構的空間尺度范圍。通用的光學顯微鏡是明視場顯微鏡（Brightfield Microscopy），它利用光線照明，樣本中各點依其光吸收的不同在明亮的背景中成像。但對于一些未經染色處理的生物標本或其他透明樣本，由于對光線的吸收少，其明視場顯微鏡像的對比度差，難以觀測。為解決該問題，科學家們發展出暗視場顯微鏡（Darkfield Microscopy）：其照明光線不直接進入成像物鏡，只允許被樣品反射和衍射的光線進入物鏡。無樣品時，視場暗黑，不可能觀察到任何物體；有樣品時，樣品的衍射光與散射光等在暗的背景中明亮可見，因此其成像對比度遠高于明場光學顯微鏡，如圖1a所示。另外一個解決方案是，利用光線全反射后在介質另一面產生衰失波（又稱表面波）來照明樣品，無樣本時，衰失波光強在縱向呈指數衰減的特性使得其不會輻射到遠場，視場暗黑；有樣品時候，衰失波會被散射或衍射到遠場，從而在暗背景下形成物體的明亮像，該顯微鏡被稱為全內反射顯微鏡（Total internal reflection microscopy, TIRM）,同樣可以提高成像對比度。衰失波光強在縱向呈指數衰減的特性，只有極靠近全反射面的樣本區域會被照明，大大降低了背景光噪聲干擾觀測標本，故此項技術廣泛應用于物質表面或界面的動態觀察，如圖1b所示。

　　然而，上述兩種顯微鏡均需要復雜的光學元件，如暗場顯微鏡需要特殊的聚光鏡來實現照明光以大角度入射到樣品；全內反射顯微鏡需要高折射率棱鏡或高數值孔徑顯微物鏡來產生光學表面波；這些元件體積大，不易集成，成像效果嚴格依賴于光路的精確調節，增加了其操作復雜度。研究提出的基于光學薄膜的平面型顯微成像元件可有效彌補上述不足。圖1c為該元件結構示意圖，主要包含三部分：中間部分是摻雜有高折射率散射納米顆粒的聚合物薄膜，利用納米顆粒的無序散射來拓展入射光束的傳播角度范圍；上部和下部是由高低折射率介質周期性排布形成的光學薄膜，利用其來調控出射光束的角度范圍。通過光子帶隙設計，下部光學薄膜只允許垂直入射的光束透過，其他角度光束的均被抑制；上部光學薄膜在750 nm波長入射下，只有大角度的光束才能透射；在640 nm波長下任何角度的光均不能透射，只能產生全內反射。

　　因此，在正入射下，經過該光學薄膜器件的光束出射角度或大于一定角度（對應750 nm波長），或在薄膜表面產生光學表面波（對應640 nm 波長）。利用一塊光學薄膜器件，在常規的明場顯微鏡上（圖2a），可同時實現暗場顯微成像與全內反射成像。成像效果如圖2b，2c所示，相對于明場光學顯微鏡像，其成像對比度有大幅提升。該方法不僅適用于空氣中的樣品，也適用于液體環境中生物活細胞的成像，如圖2d所示。進一步實驗結果表明，該方法可以實現介質薄膜上的表面波，并可用于金屬薄膜表面等離激元，如圖3所示，研究利用其作為照明光源，實現了新的表面等離激元共振顯微鏡架構，相較于目前廣泛使用的基于油浸物鏡的表面等離激元共振顯微鏡，基于光學薄膜器件的表面等離激元顯微鏡結構簡單，成本低、操作便利，易于集成。

　　上述實驗結果表明，無需改變現有顯微鏡的主體光路架構，通過設計、制作合適的顯微鏡載玻片可以有效提升其成像對比度，拓展其成像功能。研究工作得到國家自然科學基金委員會、安徽省科技廳、合肥市科技局等的支持。相關樣品制作工藝得到中國科大微納研究與制造中心的儀器支持與技術支撐。

　　論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-27231-6

圖1.傳統暗場照明（a）與全內反射照明（b）光學顯微鏡，基于光學薄膜結構的顯微成像照明元件（c）

圖2.基于光學薄膜結構的全內反射照明與暗場照明顯微成像

圖3.利用光學薄膜結構激發表面等離激元實現新型表面波光學顯微鏡