从单电浆纳米粒子散射非线性测量

本实验的总体目标是证明等离子体纳米结构的非线性散射可以提高分辨率。在光学显微镜领域，对比度和分辨率是最重要的因素。我们的技术通过基于对比度的新散射扩展到超分辨率场。

这种技术的主要优点是纳米颗粒的散射很强、高度非线性且不漂白。演示该程序的是 Hsuan Lee。我实验室里一个更优秀的学生。

实验将在光学工作台上进行。那里有一台显微镜和两个激光源。第一个激光源是用于成像的 532 纳米连续波激光器。

第二种是用于光谱测量的超连续激光器。这是成像和光谱学的基本设置示意图。样品将安装在共聚焦显微镜的压电定位台上。

来自 532 纳米激光器的光穿过中性密度滤光片。光束由分束器引导至检流计镜，检流计镜在共聚焦显微镜物镜的焦平面中提供光栅扫描。后向散射光由物镜收集并聚焦在探测器上。

首先对齐显微镜的白光照明路径。在卷发器照明下使用卤素光源。要验证内部光圈的对齐情况，请务必通过目镜或 CCD 观察八边形上的锐利边缘。

接下来，使用一张纸检查外部光路。验证光束是否被分束器部分反射，并通过沿光路移动纸张向激光传播。现在，准备好纸质目标以帮助进一步调整。

目标应放在带有同心环的薄纸上。沿光束路径放置这些目标，使其与卤素光束对齐。在这里，目标位于物镜后孔上的位置。

这是沿光路位置的另一个目标。接下来，打开用于成像的 532 纳米激光器以对其进行对准。使用纸质目标来帮助准直与卤素光束相对的入射激光。

在移除目标并继续之前，继续对激光束进行更精细的对准。对准激光器后，获得制备好的金纳米球样品用于实验。该样品在油中含有 80 纳米金纳米球。

混合物密封在两个玻璃板之间。继续将样品安装在显微镜载物台上并添加物镜油。此时，准备好检测系统进行成像。

用光路末端的光电倍增管收集散射光。沿光束路径返回，有一个直径为 20 微米的针孔，以阻挡来自光电倍增管的散光。通过打开检流计镜和光电倍增器进行成像。

观察计算机显示器，看到背面扫描仪的金纳米颗粒信号。通过调整针孔位置和样品台的高度，使后扫描仪的信号最大化。对准共聚焦显微镜后，表征样品的散射非线性。

为此，首先使用功率计测量物镜后的激光功率。读数应小于 10 微瓦，对应于激励强度小于每平方厘米 10 瓦到 4 瓦。然后，使用光电倍增管获取金纳米颗粒的图像。

在图像分析软件中打开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金纳米球，并在其上画一条线。然后，按照软件中所需的步骤检索散射曲线。

将轮廓拟合到高斯坐标，以便进一步检查成像系统的对齐情况。现在，开始系统地扫描激发强度。首先，更改中性密度滤波器以增加激发强度。

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。像以前一样，使用图像提取纳米球的散射剖面。绘制散射分布图，并将其在球体中心的值确定为散射信号。

重复这些步骤几次，以构建散射信号与激发强度的关系图。在此图中，蓝点表示数据。红线是多项式拟合。

散射信号和激发能量的低值之间存在线性关系。低于此线性关系的下降表示已发生饱和。下一步是对单个金纳米球进行光谱分析。

此示意图提供了设置概述。使用波长范围为 450-1750 纳米的超连续谱激光源。此外，使用宽带 50/50 分光镜以确保可见光谱的光谱覆盖。

在光电倍增管前面放置一个翻转镜，将光线引导到光谱仪。它配备了电荷耦合器件。超连续激光器应使用与 532 纳米激光器相同的程序进行对准。

在超连续激光器的输出端，采取一些预防措施以去除系统中多余的红外功率。在将光束发送到显微镜之前，在激光输出后立即将可见光反射镜放置在光路中。与镜子结合使用，使用光束收集可能损坏系统的红外辐射。

激光对准后，采集金纳米球并对其进行成像。查看图像并确定要研究的单个纳米球。将入射宽带光的焦点固定在选定的纳米球上。

接下来，确保光谱仪在光路中。在这个位置，翻转镜将入射光引导到光电倍增管。重新调整镜子的方向，将入射光引导至光谱仪。

继续收集有关单个金纳米粒子的散射光谱的数据。如本例所示，由于反射，测得的光谱将是纳米球散射和背景的混合物。取光谱后，返回翻转镜。

转动它可将光线直接照射到光电倍增管。拍摄另一张图像以确认金纳米颗粒的位置没有改变。接下来，将宽带光的焦点移动到没有颗粒的点。

再次更换镜子，将光线直接照射到光谱仪，然后继续进行另一次光谱测量。新的光谱是背景的。它将从金纳米球的光谱中减去。

这是从带有金纳米球的光谱中减去背景光谱产生的清晰背散射光谱。样品的饱和激发显微镜需要不同的设置。这是饱和激发显微镜的示意图。

激光源是 532 纳米激光器。使用 50/50 分束器从激光源创建两束光束。将每个光束通过单独的声光调制器。

不同的调制器频率产生一个拍频，该频率将用作饱和激励信号的调制频率。将来自声光调制器的一阶衍射光束与另一个 50/50 分束器相结合。为了监测时间调制，使用载玻片将一小部分激光分离到光电探测器。

要检查系统，请将光电探测器连接到示波器。确保没有样品就位。评估示波器上的光电探测器信号。

如果调制和波束重叠正确，则信号在拍频处应该是正弦波。对于此实验，预期的拍频为 10 kHz。努力以最小的非线性获得尽可能完美的正弦曲线。

下一步是将锁相放大器集成到系统中。对于饱和激发显微镜，锁相放大器具有来自光电探测器和光电倍增管的输入。断开光电探测器与示波器的输出，并将其连接到放大器的参考输入。

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

使用相同的样品，在两个玻璃板之间用油密封的 80 纳米金纳米球。测量时返回锁相放大器。设置放大器以导出电压信号的绝对幅度。

在这种情况下，通过在通道 1 显示面板中选择 R"。更改参考通道的谐波分量设置，以获得饱和激励单振幅。这些彩色图像是使用定制软件形成的，用于同步和组合来自锁相放大器的信号和检流计电机的驱动电压。

扫描电子显微镜图像用于比较。这些图像演示了不同谐波分量的分辨率增强。80 纳米金纳米球的测量光谱为红色。

使用 Mie 理论计算的实线显示出极好的一致性。局部表面等离子体共振在 580 纳米处。上图的散射图像和下面的线剖面作为激发强度的函数具有不同的特征。

在低强度下，点扩散函数是标准的高斯分布。强度越高，函数变平和变宽表示饱和。值越高，中心强度不是最大值，从而产生圆环形的点扩散函数。

最终，在反向饱和期间，中心强度再次成为峰值。此图中不同激发强度下中心强度的蓝色数据点揭示了饱和和反向饱和行为。数据点拟合到以红色绘制的 5 阶多项式。

此数据可用于提取谐波频率分量。谐波分量也可以直接使用锁相放大器找到。左图是实验数据。

右图是使用 5 阶多项式拟合的计算结果。两个图都显示沿曲线的特定强度的下降。例如，第二次谐波中的三次 dip。

此外，在每个图中，对于每个谐波阶数，斜率在第一次下降后增加。一旦掌握，如果你正确执行，这项技术可以在不到三个小时的时间内完成。在尝试此过程时，重要的是要检查正弦调制的质量、检测系统的线性度和样品的机械稳定性。

看完这个视频后，你应该对如何基于等离激元纳米结构的非线性散射实现分辨率增强有了很好的了解。这项技术为超分辨率显微镜领域的研究人员提供了一个有抱负的样本，以探索其他基本光-物质相互作用中的新对比度。