单个等离激元纳米粒子散射非线性的测量

本实验的总体目标是通过等离激元纳米结构的非线性散射展示分辨率增强效果。在光学显微镜领域，对比度和分辨率是最重要的两个因素。我们的技术基于新型散射对比机制，拓展至超分辨率成像领域。

该技术的主要优势在于，纳米颗粒的散射信号强、高度非线性且不发生漂白。演示该实验操作的是我实验室的研究生 Hsuan Lee。

实验将在光学平台上进行，平台上放置有一台显微镜和两个激光光源。第一个激光光源是用于成像的532纳米连续波激光器。

第二种是用于光谱测量的超连续谱激光器。这是成像和光谱测量的基本装置示意图。样品将被安装在共聚焦显微镜的压电定位平台上。

来自532纳米激光的光通过中性密度滤光片。光束由分束器引导至检流计镜，从而在共聚焦显微镜物镜的焦平面内实现光栅扫描。向后散射的光由物镜收集，并聚焦到探测器上。

首先校准显微镜的白光照明光路。使用环形照明下的卤素光源。为验证内部虹膜的对中情况，务必通过目镜或CCD观察八边形边缘是否清晰锐利。

接下来，使用一张纸检查外部光路。通过沿光路移动纸张，验证光束被分束镜部分反射并朝向激光器传播。现在，准备好纸制靶标以辅助进一步准直。

目标物应位于带有同心圆环的薄纸上。将这些目标物沿光路放置，使其与卤素光束对齐。此处，一个目标物已放置在物镜后光阑的位置上。

这是光路中另一个用于定位的目标。接下来，打开用于成像的532纳米激光器，以对其进行校准。使用纸制目标辅助准直入射激光，使其与卤素光源的光束方向相反。

在移除目标并继续操作之前，需进一步精细调整激光束。激光对准后，获取用于实验的预制金纳米球样品。该样品中含有分散在油中的80纳米金纳米球。

将混合物密封在两块玻璃片之间。随后将样品固定在显微镜载物台上，并添加镜检油。此时，准备检测系统以进行成像。

在光路末端使用光电倍增管收集散射光。沿光束路径返回，设置一个直径为20微米的针孔，以阻挡来自光电倍增管的离焦散射光。通过打开检流计镜和光电倍增管开始成像。

观察计算机显示器，查看金纳米颗粒的背向散射信号。通过调整针孔位置和样品台高度，使背向散射信号达到最强。共聚焦显微镜校准后，表征样品的散射非线性特性。

为此，首先使用功率计测量物镜后方的激光功率。读数应小于10微瓦，对应激发强度低于10的4次方瓦特每平方厘米。然后，使用光电倍增管采集金纳米颗粒的图像。

在图像分析软件中打开所捕获的图像，以表征散射强度分布。在图像中的金纳米球中选择一个，并在其上画一条线。然后，按照软件中的步骤要求获取散射分布曲线。

将轮廓拟合到高斯分布，以进一步检查成像系统的对准情况。现在，开始系统地扫描不同的激发强度。首先，更换中性密度滤光片以增加激发强度。

确定新的激发强度，并在新的强度水平下记录背向散射图像。使用该图像提取纳米球的散射轮廓，方法与之前相同。绘制散射轮廓，并将其在球体中心位置的数值确定为散射信号。

重复这些步骤多次，以绘制散射信号随激发强度变化的曲线图。图中蓝色点代表实验数据，红色线为多项式拟合结果。

散射信号与较低的激发能量值之间存在线性关系。当散射信号低于该线性关系时，表明已发生饱和。下一步是在单个金纳米球上进行光谱分析。

该示意图提供了实验装置的概览。使用波长范围为 450-1750 纳米的超连续谱激光光源。同时，使用宽带 50/50 分束器，以确保在可见光谱范围内具有良好的光谱覆盖。

在光电倍增管前放置一个翻转镜，将光引导至配备有电荷耦合器件的光谱仪。超连续谱激光器的准直应采用与532纳米激光器相同的步骤进行。

在超连续谱激光器输出端，需采取一些预防措施以去除系统中多余的红外功率。在激光输出端之后、光束进入显微镜之前，在光路中放置反射可见光的反射镜。同时配合使用光束吸收器，以收集可能对系统造成损害的红外辐射。

在激光对准后，采集金纳米球的图像。查看图像并选择一个单独的纳米球进行研究。将入射宽带光的焦点固定在选定的纳米球上。

接下来，确保光谱仪位于光路中。在此位置，翻转镜将入射光导向光电倍增管。重新调整镜面方向，使入射光进入光谱仪。

继续收集单个金纳米颗粒散射光谱的数据。如本示例所示，所测得的光谱将是纳米球散射与来自反射的背景信号的混合。采集光谱后，将翻转镜复位。

将光引导至光电倍增管。再拍摄一张图像，以确认金纳米颗粒的位置未发生变化。接着，将宽带光源的焦点移至无颗粒的位置。

再次调整镜片，将光引导至光谱仪，并进行另一次光谱测量。新的光谱为背景光谱，将从金纳米球的光谱中扣除。

这是通过从含有金纳米球的光谱中减去背景光谱后得到的清晰背向散射光谱。对样品进行饱和激发显微成像需要不同的实验装置。此图为饱和激发显微镜的示意图。

激光源为532纳米激光器。使用50/50分束镜从激光源产生两束光。使每束光分别通过一个独立的声光调制器。

不同的调制频率会产生拍频，该拍频将作为饱和激发信号的调制频率。利用另一个50/50分束器将声光调制器产生的+1级衍射光束合并。为监测时间调制特性，使用玻璃载玻片将一小部分激光偏转至光电探测器。

为检查系统，将光电探测器连接至示波器。确保样品位置无任何样品。在示波器上评估光电探测器的信号。

如果调制和光束重叠正确，信号应为一个频率等于拍频的正弦波。本实验中，预期的拍频为10千赫兹。应尽量获得尽可能完美的正弦波形，并使非线性失真最小化。

下一步是将锁相放大器整合到系统中。对于饱和激发显微镜，锁相放大器的输入来自光电探测器和光电倍增管。断开光电探测器与示波器的连接，并将其输出连接到放大器的参考输入端。

将光电倍增管的输出端连接到锁相放大器作为信号输入。将放大器的输出信号发送至数据采集卡。此时，将样品安装在显微镜载物台上。

使用相同的样品，其中包含悬浮在油中并密封于两块玻璃片之间的80纳米金纳米球。在测量时返回锁相放大器，将放大器设置为输出电压信号的绝对幅值。

在此情况下，通过在通道1显示面板中选择R。改变参考通道的谐波分量设置，以获得饱和激发的单幅值。这些彩色图像是使用定制软件，通过同步并整合来自锁相放大器和检流计电机驱动电压的信号而生成的。

扫描电子显微镜图像用于对比。这些图像展示了不同谐波分量下的分辨率提升效果。80纳米金纳米球的实测光谱以红色显示。

使用米氏理论计算出的实线显示出极好的一致性。局域表面等离子体共振位于580纳米处。上方的散射图像和下方的线轮廓随激发强度的不同而呈现出不同的特征。

在低强度下，点扩散函数呈标准高斯分布曲线。随着强度增加，该函数趋于平坦并展宽，表明已达到饱和状态。在更高强度下，中心强度不再为最大值，从而形成环形（面包圈状）的点扩散函数。

最终，在反向饱和过程中，中心强度再次达到峰值。该图中不同激发强度下的中心强度对应的蓝色数据点，揭示了饱和与反向饱和的行为特征。数据点经拟合得到一条五阶多项式曲线，以红色线表示。

这些数据可用于提取谐波频率成分。谐波成分也可通过锁相放大器直接获取。左侧图显示的是实验数据。

右侧曲线图是使用五次多项式拟合进行计算的结果。两张图中均在曲线的特定强度处显示出下陷。例如，二次谐波中存在三个下陷。

此外，在每个图中，对于每一级谐波，斜率在第一个极小值之后均会增大。只要操作得当，掌握该技术后可在三小时之内完成实验。在进行该过程时，重要的是要检查正弦调制的质量、探测系统的线性度以及样品的机械稳定性。

观看本视频后，您应能充分理解如何利用等离激元纳米结构的非线性散射实现分辨率提升。该技术为从事超分辨率显微成像领域的研究人员探索其他基本光-物质相互作用中的新型对比机制提供了极具前景的范例。