论文主体思路

论文主要贡献

  1. 我们提出了一种平面光子衬底，以增强极弱的散射信号，并提高在暗场照明（DFI）光学显微镜下成像低折射率样品的对比度。
  2. 通过在二氧化硅衬底上沉积多层光学膜来制备平面光子衬底，其中最大电场强度分布在衬底表面上。放置在平面光子衬底上的样品的散射信号由于强的衬底-纳米颗粒相互作用而增强。
  3. 在涂有高折射率薄膜的基底上的介电纳米颗粒的散射信号被近场放大的倏逝波重新激发，这可以增强散射信号。
  4. 纳米颗粒样品的散射强度与样品的直径有关，其散射信号随着样品尺寸的减小而减弱[3]。因此，来自样品的散射信号可以容易地被反射/透射的入射光淹没，并且明场照明光学显微镜难以检测样品的散射信号。
  5. 当衬底表面存在强局部电场时，放置在衬底上的样品的散射信号显著增强。

平面光子衬底的归一化内部电场分布

  1. 在DFI光学显微镜下对于（a）二氧化硅衬底、（B）Ag涂覆的（65 nm厚）二氧化硅衬底和（c）平面光子衬底的归一化内部电场分布。
  2. 当衬底表面存在强局部电场时，放置在衬底上的样品的散射信号显著增强。
  3. 通常，高反射率基板可以通过在二氧化硅基板上沉积金属层来获得。金属层可以增强反射率，但是二氧化硅衬底和Ag涂覆的二氧化硅衬底的最大电场强度都不在衬底表面上，如图1A和1B所示。1（a）和1（B）。然而，在交替的高和低折射率的电介质层的堆叠中的最大电场强度的位置可以被调整[28]。
  4. 平面光子衬底结构包括二氧化硅衬底和多层膜，所述多层膜由金属膜和交替的高折射率和低折射率的电介质层的叠层组成。图1（c）揭示了对于平面光子衬底，最大电场强度位于空气/膜界面处。在图1中，光从空气中入射到衬底上，衬底外部的光场的正弦强度变化来自入射光和反射光之间的干涉。

反射系数的模量（|Rs|和|Rp|）与不同基底的归一化波矢量分量（k λ/k 0）

  1. (a)，（B）反射系数的模量（|Rs|和|Rp|）与不同基底的归一化波矢量分量（k λ/k 0）的关系。
  2. 图2（a）和图2（B）分别绘制了s波和p波在空气/二氧化硅（黑线）、空气/Ag（红线）和空气/多层膜（蓝线）界面处的反射系数模量与波矢量的归一化分量（k/k 0）的关系。这里，反射系数的模是反射强度与入射强度的比率。如果它大于1（在k/k 0 ≥ 1时），则表明倏逝波可以在界面处被放大，并且它们可以由纳米颗粒的散射光产生[20]（更多详细信息请参见补充1）。

单个SiO2纳米颗粒的局部电场分布

  1. 单个SiO2纳米颗粒在（a）二氧化硅基底、（B）Ag涂覆的二氧化硅基底和（c）多层涂覆的二氧化硅基底上的局部电场分布（λ=540 nm，入射角θ=64°）。
  2. 数值计算表明，由于二氧化硅衬底的空气/二氧化硅界面处的电场分布较弱，纳米粒子与衬底之间的局域电场较弱。相比之下，在基底附近具有强电场分布的Ag包覆SiO2基底可以增强大尺寸（直径150 nm）SiO2纳米颗粒与基底之间的局域电场，但对小尺寸（直径50 nm）SiO2纳米颗粒的影响不明显。
  3. 然而，平面光子衬底调整了衬底表面上分布的最强电场，并增强了纳米颗粒与衬底之间的局部电场。因此，小尺寸的SiO2纳米颗粒的散射信号可以有效地增强由于基板-纳米颗粒的相互作用，这改善了在远场中检测到的散射信号。

光学显微镜的示意图

  1. (a)在DFI下的传统光学显微镜的示意图和（B）单个SiO2纳米颗粒（顶部）和具有鞭毛的弧菌（底部;插图是鞭毛的放大图像）的SEM图像。

单个SiO2纳米颗粒的暗场图像

  1. 在（a）二氧化硅基底、（B）Ag涂覆的二氧化硅基底、（c）多层涂覆的二氧化硅基底上的直径为50、100和150 nm的单个SiO2纳米颗粒的暗场图像，以及（d）不同基底上的150 nm直径SiO2纳米颗粒的SNR分布。

附录与补遗

论文中可以引用的部分

关于文献

题目及期刊

题目：Contrast-enhanced optical microscopy using a planar photonic substrate and dark-field illumination

期刊：Opt Lett

引用

  • Wang, D., et al. “Contrast-Enhanced Optical Microscopy Using a Planar Photonic Substrate and Dark-Field Illumination.” Opt Lett 50.5 (2025): 1453-56. Print.

作者信息

作者：D. Wang, M. Qi, C. Bai, Y. Cao and Y. H. Ye

发表时间

日期：2025年

阅读时间

日期：2025年3月16日

开源代码及其它

GitHub：无。