近日，中國科大物理學院光電子科學與(yu) 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張鬥國教授研究組提出並實現了一種基於(yu) 光學薄膜的平麵型顯微成像元件，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(nei) 反射成像，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(wei) 題發表在綜合性學術期刊Nature Communications。

光學顯微鏡是利用光學原理，把人眼不能分辨的微小物體(ti) 放大成像，進而拓寬人類觀察物質結構的空間尺度範圍。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。但對於(yu) 一些未經染色處理的生物標本或者其他透明樣本，由於(yu) 對光線的吸收很少，因此其明視場顯微鏡像的對比度差，難以觀測。

為(wei) 了解決(jue) 這個(ge) 問題，科學家們(men) 發展出暗視場顯微鏡（Darkfield Microscopy）：它的照明光線不直接進入成像物鏡，隻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(ti) ；有樣品時，樣品的衍射光與(yu) 散射光等在暗的背景中明亮可見，因此其成像對比度遠高於(yu) 明場光學顯微鏡，如圖1a所示。另外一個(ge) 解決(jue) 方案是，利用光線全反射後在介質另一麵產(chan) 生衰失波（又稱表麵波）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(hui) 輻射到遠場，視場暗黑；有樣品時候，衰失波會(hui) 被散射或衍射到遠場，從(cong) 而在暗背景下形成物體(ti) 的明亮像，該顯微鏡被稱為(wei) 全內(nei) 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，隻有極靠近全反射麵的樣本區域會(hui) 被照明，大大降低了背景光噪聲幹擾觀測標本，故此項技術廣泛應用於(yu) 物質表麵或界麵的動態觀察，如圖1b所示。

但這兩(liang) 種顯微鏡都需要複雜的光學元件，如暗場顯微鏡需要一個(ge) 特殊的聚光鏡來實現照明光以大角度入射到樣品；全內(nei) 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(chan) 生光學表麵波；這些元件體(ti) 積較大，不易集成；同時成像效果嚴(yan) 格依賴於(yu) 光路的精確調節，增加了其操作複雜度。

圖1 傳(chuan) 統暗場照明（a）與(yu) 全內(nei) 反射照明（b）光學顯微鏡，基於(yu) 光學薄膜結構的顯微成像照明元件

本論文提出的基於(yu) 光學薄膜的平麵型顯微成像元件可有效彌補這些不足。如圖1c所示為(wei) 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(chuan) 播角度範圍；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範圍。通過光子帶隙設計，下部光學薄膜隻允許垂直入射的光束透過，其他角度光束的都被抑製；上部光學薄膜在750 nm波長入射下，隻有大角度的光束才能透射；在640 nm波長下任何角度的光都不能透射，隻能產(chan) 生全內(nei) 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要麽(me) 是大於(yu) 一定的角度（對應750 nm波長），要麽(me) 是在薄膜表麵產(chan) 生光學表麵波（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(yu) 全內(nei) 反射成像。成像效果如圖2b，2c所示，相對於(yu) 明場光學顯微鏡像，其成像對比度有大幅度的提升。該種方法不僅(jin) 適用於(yu) 空氣中的樣品，也適用於(yu) 液體(ti) 環境中生物活細胞的成像，如圖2d所示。

圖2 基於(yu) 光學薄膜結構的全內(nei) 反射照明與(yu) 暗場照明顯微成像

進一步實驗結果表明，該方法不僅(jin) 可以實現介質薄膜上的表麵波，也可用於(yu) 激發目前引起廣泛興(xing) 趣的金屬薄膜表麵等離激元，如圖3所示，利用其作為(wei) 照明光源，實現了一種新的表麵等離激元共振顯微鏡架構，相對於(yu) 目前廣泛使用的基於(yu) 油浸物鏡的表麵等離激元共振顯微鏡，基於(yu) 光學薄膜器件的表麵等離激元顯微鏡結構簡單，成本低、操作便利，易於(yu) 集成。

上述實驗結果表明，無需改變現有顯微鏡的主體(ti) 光路架構，通過設計、製作合適的顯微鏡載玻片，就可以有效提升其成像對比度，拓展其成像功能。

圖3 利用光學薄膜結構激發表麵等離激元實現新型表麵波光學顯微鏡

本校博士生蒯雁同學為(wei) 該論文第一作者，張鬥國教授為(wei) 通訊作者。上述研究工作得到了國家自然科學基金委、安徽省科技廳、合肥市科技局、唐仲英基金會(hui) 等項目經費的支持。相關(guan) 樣品製作工藝得到了中國科學技術大學微納研究與(yu) 製造中心的儀(yi) 器支持與(yu) 技術支撐。

安徽省光電子科學與(yu) 技術重點實驗室、物理學院、合肥微尺度物質科學國家研究中心、科研部