近日，中國(guó)科大物理學(xué)院光電子科學(xué)與技術(shù)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室／合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心張斗國(guó)教授研究組提出并實(shí)現(xiàn)了一種基于光學(xué)薄膜的平面型顯微成像元件，用作被測(cè)樣本的載波片，可在常規(guī)的明場(chǎng)光學(xué)顯微鏡上實(shí)現(xiàn)暗場(chǎng)顯微成像和全內(nèi)反射成像，而獲取高對(duì)比度的光學(xué)顯微圖像。研究成果以“Planar photonic chips with tailored angular transmission for high－contrast－imaging devices”為題發(fā)表在綜合性學(xué)術(shù)期刊Nature Communications。

光學(xué)顯微鏡是利用光學(xué)原理，把人眼不能分辨的微小物體放大成像，進(jìn)而拓寬人類觀察物質(zhì)結(jié)構(gòu)的空間尺度范圍。通用的光學(xué)顯微鏡是明視場(chǎng)顯微鏡（Brightfield Microscopy），它利用光線照明，樣本中各點(diǎn)依其光吸收的不同在明亮的背景中成像。但對(duì)于一些未經(jīng)染色處理的生物標(biāo)本或者其他透明樣本，由于對(duì)光線的吸收很少，因此其明視場(chǎng)顯微鏡像的對(duì)比度差，難以觀測(cè)。

為了解決這個(gè)問題，科學(xué)家們發(fā)展出暗視場(chǎng)顯微鏡（Darkfield Microscopy）：它的照明光線不直接進(jìn)入成像物鏡，只允許被樣品反射和衍射的光線進(jìn)入物鏡。無樣品時(shí)，視場(chǎng)暗黑，不可能觀察到任何物體；有樣品時(shí)，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(duì)比度遠(yuǎn)高于明場(chǎng)光學(xué)顯微鏡，如圖1a所示。另外一個(gè)解決方案是，利用光線全反射后在介質(zhì)另一面產(chǎn)生衰失波（又稱表面波）來照明樣品，無樣本時(shí)，衰失波光強(qiáng)在縱向呈指數(shù)衰減的特性使得其不會(huì)輻射到遠(yuǎn)場(chǎng)，視場(chǎng)暗黑；有樣品時(shí)候，衰失波會(huì)被散射或衍射到遠(yuǎn)場(chǎng)，從而在暗背景下形成物體的明亮像，該顯微鏡被稱為全內(nèi)反射顯微鏡（Total internal reflection microscopy， TIRM），同樣可以提高成像對(duì)比度。衰失波光強(qiáng)在縱向呈指數(shù)衰減的特性，只有極靠近全反射面的樣本區(qū)域會(huì)被照明，大大降低了背景光噪聲干擾觀測(cè)標(biāo)本，故此項(xiàng)技術(shù)廣泛應(yīng)用于物質(zhì)表面或界面的動(dòng)態(tài)觀察，如圖1b所示。

但這兩種顯微鏡都需要復(fù)雜的光學(xué)元件，如暗場(chǎng)顯微鏡需要一個(gè)特殊的聚光鏡來實(shí)現(xiàn)照明光以大角度入射到樣品；全內(nèi)反射顯微鏡需要高折射率棱鏡或高數(shù)值孔徑顯微物鏡來產(chǎn)生光學(xué)表面波；這些元件體積較大，不易集成；同時(shí)成像效果嚴(yán)格依賴于光路的精確調(diào)節(jié)，增加了其操作復(fù)雜度。

圖1 傳統(tǒng)暗場(chǎng)照明（a）與全內(nèi)反射照明（b）光學(xué)顯微鏡，基于光學(xué)薄膜結(jié)構(gòu)的顯微成像照明元件

本論文提出的基于光學(xué)薄膜的平面型顯微成像元件可有效彌補(bǔ)這些不足。如圖1c所示為該元件結(jié)構(gòu)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(zhì)周期性排布形成的光學(xué)薄膜，利用其來調(diào)控出射光束的角度范圍。通過光子帶隙設(shè)計(jì)，下部光學(xué)薄膜只允許垂直入射的光束透過，其他角度光束的都被抑制；上部光學(xué)薄膜在750 nm波長(zhǎng)入射下，只有大角度的光束才能透射；在640 nm波長(zhǎng)下任何角度的光都不能透射，只能產(chǎn)生全內(nèi)反射。

因此，在正入射下，經(jīng)過該光學(xué)薄膜器件的光束出射角度要么是大于一定的角度（對(duì)應(yīng)750 nm波長(zhǎng)），要么是在薄膜表面產(chǎn)生光學(xué)表面波（對(duì)應(yīng)640 nm 波長(zhǎng)）。利用一塊光學(xué)薄膜器件，在常規(guī)的明場(chǎng)顯微鏡上（圖2a），可同時(shí)實(shí)現(xiàn)暗場(chǎng)顯微成像與全內(nèi)反射成像。成像效果如圖2b，2c所示，相對(duì)于明場(chǎng)光學(xué)顯微鏡像，其成像對(duì)比度有大幅度的提升。該種方法不僅適用于空氣中的樣品，也適用于液體環(huán)境中生物活細(xì)胞的成像，如圖2d所示。

圖2 基于光學(xué)薄膜結(jié)構(gòu)的全內(nèi)反射照明與暗場(chǎng)照明顯微成像

進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法不僅可以實(shí)現(xiàn)介質(zhì)薄膜上的表面波，也可用于激發(fā)目前引起廣泛興趣的金屬薄膜表面等離激元，如圖3所示，利用其作為照明光源，實(shí)現(xiàn)了一種新的表面等離激元共振顯微鏡架構(gòu)，相對(duì)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(xué)薄膜器件的表面等離激元顯微鏡結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低、操作便利，易于集成。

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，無需改變現(xiàn)有顯微鏡的主體光路架構(gòu)，通過設(shè)計(jì)、制作合適的顯微鏡載玻片，就可以有效提升其成像對(duì)比度，拓展其成像功能。

圖3 利用光學(xué)薄膜結(jié)構(gòu)激發(fā)表面等離激元實(shí)現(xiàn)新型表面波光學(xué)顯微鏡

本校博士生蒯雁同學(xué)為該論文第一作者，張斗國(guó)教授為通訊作者。上述研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、安徽省科技廳、合肥市科技局、唐仲英基金會(huì)等項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)的支持。相關(guān)樣品制作工藝得到了中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)微納研究與制造中心的儀器支持與技術(shù)支撐。

安徽省光電子科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、物理學(xué)院、合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心、科研部