基于旋转照明的表面波光学显微成像

中国科学技术大学张斗国副教授与合作者提出并实现了一种基于旋转照明的表面波光学显微成像新技术，可提高无标记成像的分辨率，拓展表面波光学显微镜的应用范畴。

表面波光学显微镜主要用于研究表面或界面处光与物质的相互作用、样品表面或界面处的行为特征。目前常用的表面波光学显微镜是：利用金属（通常为金或银）薄膜负载的表面等离子体波（SPs）作为照明光源的表面等离子体共振显微镜（SPRM），它广泛应用于细胞、细菌、病毒、DNA、蛋白质等生物体的无标记成像研究。

但SPRM存在两个不足之处，限制了其更为广泛的应用。第一，由于SPs的传播特性，导致了SPRM在SPs传播方向的空间分辨率通常为几个微米，远大于光波的衍射极限；第二，由于SPs需要特定的激发条件且显微物镜的数值孔径有限，导致了SPRM对入射光的波长、偏振及衬底材料有一定要求，如入射光必须是长波，且必须是p偏振光，样品必须放置在金属材料上等。

针对上述不足之处，中国科学技术大学光学与光学工程系张斗国副教授与合作者提出并实现了一种基于旋转照明的表面波光学显微成像新技术，提高了无标记成像的分辨率，拓展了表面波光学显微镜的应用范畴，相关研究成果以Label-free surface-sensitive photonic microscopy with high spatial resolution using azimuthal rotation illumination为题发表在Science Advances上。

图1a所示为在自主搭建的光学显微镜上加载了旋转照明模块。利用扫描振镜精确、高速地调节光束入射角度，在保持径向角度（θ对应表面波的共振激发角度）不变的情况下，让方位角在0o ~360o之间高速旋转（图1b），进而在各个方向激发传播的SPs。无需图像处理，利用探测器采集图像的时间平均效应便可自然地提高SPRM成像分辨率。

图1 (a)基于旋转照明的表面波显微镜实验架构；(b) 利用双振镜扫描系统控制入射角度(径向角θ和方位角φ) 。

如图2a所示，被成像样品是一根弯曲介质纳米线，利用常规的SPRM只能看到模糊的图案，并有很多条纹造成的假象；而利用旋转照明SPRM，可有效分辨出此纳米线的形貌和弯曲（图2b）。对比实验证明，旋转照明有效地提高了SPRM成像分辨率，解决了目前SPRM存在的第一个不足之处。

图2 SPRM成像效果对比图，单根弯曲纳米线放置在金属薄膜上。(a)常规SPRM成像图；(b)旋转照明SPRM成像图。

图3 表面波光学显微镜基片结构示意图。 (a)应用于BSWM的介质多层膜衬底结构示意图；(b)应用于SPRM的金属薄膜结构示意图。