Mesure de la diffusion non-linéarités d'une nanoparticule plasmonique Simple

L’objectif global de cette expérience est de démontrer l’amélioration de la résolution avec la diffusion non linéaire à partir de nanostructures plasmoniques. Dans le domaine de la microscopie optique, le contraste et la résolution sont les facteurs les plus importants. Notre technique s’étend au domaine de la super résolution avec la nouvelle diffusion basée sur le contraste.

Le principal avantage de cette technique est que la diffusion des nanoparticules est forte, hautement non linéaire et non blanchissante. Hsuan Lee fera la démonstration de la procédure. Un meilleur étudiant de mon laboratoire.

L’expérience sera réalisée sur un banc optique. Où il y a un microscope et deux sources laser. La première source laser est un laser à ondes continues de 532 nanomètres utilisé pour l’imagerie.

Le second est un laser super-continuum utilisé pour les mesures de spectroscopie. Il s’agit d’un schéma de base de l’imagerie et de la spectroscopie. Les échantillons seront montés sur une platine de positionnement piézoélectrique dans le microscope confocal.

La lumière du laser de 532 nanomètres passe à travers un filtre à densité neutre. Le faisceau est dirigé par un séparateur de faisceau vers des miroirs galvano qui fournissent un balayage matriciel dans le plan focal de l’objectif du microscope confocal. La lumière diffusée vers l’arrière est collectée par l’objectif et focalisée sur le détecteur.

Commencez par aligner le chemin d’éclairage de la lumière blanche du microscope. Utilisez la source lumineuse halogène sous l’éclairage du bigoudi. Pour vérifier l’alignement de l’iris interne, assurez-vous d’observer les arêtes vives sur l’octogone via l’oculaire ou le CCD.

Ensuite, utilisez une feuille de papier pour vérifier le chemin de la lumière externe. Vérifiez que les faisceaux sont partiellement réfléchis par le séparateur de faisceau et se propagent vers le laser en déplaçant le papier le long du trajet de la lumière. Maintenant, ayez des cibles en papier prêtes à l’emploi pour aider à un alignement plus poussé.

Les cibles doivent être sur du papier mince avec des anneaux concentriques. Placez ces cibles le long de la trajectoire du faisceau de manière à ce qu’elles soient alignées avec le faisceau halogène. Ici, une cible est en position sur l’ouverture arrière de l’objectif.

Il s’agit d’une autre cible en position le long du chemin optique. Ensuite, allumez le laser de 532 nanomètres utilisé pour l’imagerie afin de l’aligner. Utilisez les cibles en papier pour aider à collimater la lumière laser incidente opposée au faisceau halogène.

Continuez avec un alignement plus fin du faisceau laser avant de retirer les cibles et de continuer. Après avoir aligné le laser, obtenez un échantillon de nanosphère d’or préparé pour l’expérience. Cet échantillon contient 80 nanosphères d’or nanométriques dans l’huile.

Le mélange est scellé entre deux plaques de verre. Continuez en montant l’échantillon sur la platine du microscope et en ajoutant de l’huile d’objectif. À ce stade, le système de détection est prêt pour l’imagerie.

Collectez la lumière diffusée avec le tube photomultiplicateur à l’extrémité du chemin optique. De retour le long du trajet du faisceau, ayez un sténopé de 20 micromètres de diamètre pour bloquer la lumière diffusée floue du tube photomultiplicateur. Poursuivez l’imagerie en allumant les miroirs galvano et le multiplicateur photo.

Observez l’écran de l’ordinateur pour voir le scanner arrière en signal des nanoparticules d’or. Maximisez le signal du scanner arrière en ajustant la position du sténopé et la hauteur de la platine d’échantillonnage. Après avoir aligné le microscope confocal, caractérisez la non-linéarité de diffusion de l’échantillon.

Pour ce faire, utilisez d’abord un wattmètre pour mesurer la puissance du laser après la lentille de l’objectif. La lecture doit être inférieure à 10 microwatts, ce qui correspond à une intensité d’excitation inférieure à 10 puissance quatre watts par centimètre carré. Ensuite, acquérez une image des nanoparticules d’or à l’aide du tube photomultiplicateur.

Ouvrez l’image capturée dans un logiciel d’analyse d’images pour caractériser le profil d’intensité de diffusion. Sélectionnez une nanosphère d’or parmi celles de l’image et tracez une ligne à travers elle. Ensuite, suivez les étapes requises dans le logiciel pour récupérer le profil de diffusion.

Ajustez le profil sur une gaussienne qui permet un contrôle supplémentaire de l’alignement du système d’imagerie. Maintenant, commencez à balayer systématiquement les intensités d’excitation. Tout d’abord, changez le filtre à densité neutre pour augmenter l’intensité de l’excitation.

Déterminez la nouvelle intensité d’excitation et enregistrez l’image de rétrodiffusion au nouveau niveau d’intensité. Utilisez l’image pour extraire un profil de diffusion d’une nanosphère comme précédemment. Tracez le profil de diffusion et identifiez sa valeur au centre de la sphère en tant que signal de diffusion.

Répétez ces étapes plusieurs fois pour construire un graphique du signal de diffusion en fonction de l’intensité d’excitation. Dans cette figure, les points bleus représentent des données. La ligne rouge est un ajustement polynomial.

Il existe une relation linéaire entre le signal de diffusion et les faibles valeurs de l’énergie d’excitation. La chute en dessous de cette relation linéaire indique qu’une saturation s’est produite. La prochaine étape consiste à effectuer une spectroscopie sur une seule nanosphère d’or.

Ce schéma donne une vue d’ensemble de la configuration. Utilisez une source laser super-continuum avec une gamme de longueurs d’onde de 450 à 1750 nanomètres. Utilisez également un séparateur de faisceau à large bande 50/50 pour assurer une couverture spectrale sur le spectre visible.

Placez un miroir retournant devant le tube photomultiplicateur pour diriger la lumière vers le spectromètre. Qui est équipé d’un dispositif à couplage de charge. Le laser super-continuum doit être aligné en utilisant la même procédure que le laser de 532 nanomètres.

À la sortie du laser super-continuum, prenez quelques précautions pour éliminer l’excès de puissance infrarouge du système. Placez des miroirs réfléchissant la lumière visible dans le chemin optique juste après la sortie du laser, avant d’envoyer le faisceau au microscope. En conjonction avec les miroirs, utilisez des décharges de faisceau pour collecter le rayonnement infrarouge qui pourrait endommager le système.

Avec le laser aligné, acquisition et image des nanosphères d’or. Visualisez l’image et identifiez une seule nanosphère à étudier. Fixez le foyer de la lumière à large bande incidente sur la nanosphère choisie.

Ensuite, assurez-vous que le spectromètre se trouve dans le chemin optique. Dans cette position, le miroir retournant dirige la lumière incidente vers le tube photomultiplicateur. Réorientez le miroir pour diriger la lumière incidente vers le spectromètre.

Procédez à la collecte de données sur le spectre de diffusion de la nanoparticule d’or unique. Comme dans cet exemple, le spectre mesuré sera un mélange de diffusion des nanosphères et de bruit de fond dû aux réflexions. Après avoir pris le spectre, retournez le miroir retournable.

Tournez-le pour diriger la lumière vers le tube multiplicateur photo. Prenez une autre image pour confirmer que la nanoparticule d’or n’a pas changé de position. Ensuite, déplacez le foyer de la lumière à large bande à un point où il n’y a pas de particule.

Changez à nouveau le miroir pour diriger la lumière vers le spectromètre et procédez à une autre mesure du spectre. Le nouveau spectre est de l’arrière-plan. Il sera soustrait du spectre de la nanosphère d’or.

Voici le spectre de rétrodiffusion claire produit en soustrayant le spectre de fond du spectre avec les nanosphères d’or. La microscopie à excitation saturée de l’échantillon nécessite une configuration différente. Voici le schéma du microscope à excitation saturée.

La source laser est un laser de 532 nanomètres. Utilisez un séparateur de faisceau 50/50 pour créer deux faisceaux à partir de la source laser. Faites passer chaque faisceau à travers un modulateur optique acoustal séparé.

Les différentes fréquences du modulateur génèrent une fréquence de battement qui servira de fréquence de modulation des signaux d’excitation saturés. Combinez les faisceaux diffractés de premier ordre des modulateurs optiques acoustiques avec un autre séparateur de faisceau 50/50. Pour surveiller la modulation temporelle, utilisez une lame de verre pour séparer une petite partie de la lumière laser vers un photodétecteur.

Pour vérifier le système, connectez le photodétecteur à un oscilloscope. Assurez-vous qu’aucun échantillon n’est en place. Évaluez le signal du photodétecteur sur l’oscilloscope.

Le signal doit être sinusoïdal à la fréquence de battement si la modulation et le chevauchement du faisceau sont corrects. Pour cette expérience, la fréquence de battement attendue est de 10 kilohertz. Faites des efforts pour obtenir une sinusoïde aussi parfaite que possible avec une non-linéarité minimale.

L’étape suivante consiste à incorporer un amplificateur de verrouillage dans le système. Pour la microscopie à excitation saturée, l’amplificateur à verrouillage est alimenté par le photodétecteur et le tube photomultiplicateur. Débranchez la sortie du photodétecteur de l’oscilloscope et connectez-le à l’entrée de référence de l’amplificateur.

Connectez la sortie du tube photomultiplicateur à l’amplificateur de verrouillage en tant qu’entrée de signal. Envoi de la sortie de l’amplificateur vers une carte d’acquisition de données. À ce stade, montez l’échantillon sur la platine du microscope.

Utilisez le même échantillon avec des nanosphères d’or de 80 nanomètres dans de l’huile scellées entre deux plaques de verre. Revenez à l’amplificateur de verrouillage pendant que vous prenez des mesures. Réglez l’amplificateur pour exporter l’amplitude absolue du signal de tension.

Dans ce cas, en sélectionnant R" dans le panneau d’affichage du canal 1. Modifiez le réglage de la composante harmonique au niveau du canal de référence pour obtenir l’excitation saturée d’amplitudes simples. Ces images couleur sont formées à l’aide d’un logiciel personnalisé pour synchroniser et combiner les signaux de l’amplificateur de verrouillage et les tensions d’entraînement des moteurs galvano.

L’image du microscope électronique à balayage est à titre de comparaison. Les images montrent l’amélioration de la résolution avec différentes composantes harmoniques. Le spectre mesuré d’une nanosphère d’or de 80 nanomètres est en rouge.

La courbe solide calculée à l’aide de la théorie de Mie montre une excellente concordance. La résonance plasmonique de surface localisée est à 580 nanomètres. Les images de diffusion, ci-dessus, et les profils de lignes, ci-dessous, ont des caractéristiques différentes en fonction de l’intensité de l’excitation.

À faible intensité, la fonction d’étalement des points est un profil gaussien standard. Des intensités plus élevées entraînent l’aplatissement et l’élargissement de la fonction, ce qui indique la saturation. À des valeurs plus élevées, l’intensité centrale n’est pas maximale, ce qui entraîne une fonction d’étalement de points en forme de beignet.

Finalement, l’intensité centrale redevient le pic lors de la saturation inverse. Les points de données bleus dans ce graphique de l’intensité centrale à différentes intensités d’excitation révèlent à la fois le comportement de saturation et le comportement de saturation inverse. Les points de données sont ajustés à un polynôme d’ordre 5 tracé en rouge.

Ces données peuvent être utilisées pour extraire les composantes de fréquence harmonique. Les composants harmoniques peuvent également être trouvés directement à l’aide de l’amplificateur de verrouillage. Ce graphique de gauche est constitué de données expérimentales.

Le tracé de droite est le résultat d’un calcul utilisant l’ajustement polynomial du 5e ordre. Les deux graphiques présentent des pendages à des intensités spécifiques le long des courbes. Par exemple, trois creux dans la deuxième harmonique.

Également dans chaque parcelle, pour chaque ordre harmonique, la pente augmente après le premier plongeon. Une fois maîtrisée, cette technique peut être réalisée en moins de trois heures si vous l’effectuez correctement. Lors de la tentative de cette procédure, il est important de vérifier la qualité de la modulation sinusoïdale, la linéarité du système de détection et la stabilité mécanique de l’échantillon.

Après avoir regardé cette vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension de la façon d’obtenir une amélioration de la résolution basée sur la diffusion non linéaire à partir de nanostructures plasmoniques. Cette technique fournit un échantillon prometteur aux chercheurs dans le domaine de la microscopie à super-résolution pour explorer de nouveaux contrastes dans d’autres interactions fondamentales lumière-matière.