Pomiar nieliniowości rozpraszania od pojedynczej nanocząstki plazmonicznej

Ogólnym celem tego eksperymentu jest zademonstrowanie zwiększenia rozdzielczości za pomocą nieliniowego rozpraszania z nanostruktur plazmonicznych. W dziedzinie mikroskopii optycznej najważniejszymi czynnikami są kontrast i rozdzielczość. Nasza technika rozszerza się na pole super rozdzielczości dzięki nowemu rozpraszaniu opartemu na kontraście.

Główną zaletą tej techniki jest to, że rozpraszanie z nanocząstek jest silne, wysoce nieliniowe i nie wybiela. Procedurę zademonstruje Hsuan Lee. Większy uczeń z mojego laboratorium.

Eksperyment zostanie przeprowadzony na ławce optycznej. Gdzie jest mikroskop i dwa źródła lasera. Pierwszym źródłem lasera jest laser o długości fali ciągłej o długości fali 532 nanometrach używany do obrazowania.

Drugi to laser superkontinuum używany do pomiarów spektroskopowych. Jest to schemat podstawowej konfiguracji zarówno dla obrazowania, jak i spektroskopii. Próbki zostaną zamontowane na piezoelektrycznym stoliku pozycjonującym w mikroskopie konfokalnym.

Światło z lasera o długości fali 532 nanometrów przechodzi przez filtr o neutralnej gęstości. Wiązka jest kierowana przez rozdzielacz wiązki do luster galwanowych, które zapewniają skanowanie rastrowe w płaszczyźnie ogniskowej obiektywu mikroskopu konfokalnego. Światło rozproszone wstecznie jest zbierane przez obiektyw i skupiane na detektorze.

Zacznij od wyrównania ścieżki oświetlenia białego światła mikroskopu. Używaj halogenowego źródła światła przy oświetleniu lokówki. Aby sprawdzić wyrównanie wewnętrznej tęczówki, należy obserwować ostre krawędzie ośmiokąta za pomocą okularu lub przetwornika CCD.

Następnie użyj kartki papieru, aby sprawdzić zewnętrzną ścieżkę światła. Sprawdź, czy wiązki są częściowo odbijane przez rozdzielacz wiązki i rozchodzą się w kierunku lasera, przesuwając papier wzdłuż ścieżki światła. Teraz przygotuj papierowe tarcze, które pomogą w dalszym dostosowaniu.

Tarcze powinny być na cienkim papierze z koncentrycznymi pierścieniami. Umieść te cele wzdłuż ścieżki wiązki tak, aby były wyrównane z wiązką halogenową. W tym przypadku cel znajduje się na tylnej aperturze soczewki obiektywu.

Jest to kolejny cel znajdujący się na ścieżce optycznej. Następnie włącz laser 532 nm używany do obrazowania, aby go wyrównać. Użyj tarcz papierowych, aby pomóc w kolimacji światła laserowego padającego naprzeciwko wiązki halogenowej.

Kontynuuj dokładniejsze wyrównanie wiązki laserowej przed usunięciem celów i kontynuowaniem. Po ustawieniu lasera należy uzyskać przygotowaną próbkę nanosfery złota do eksperymentu. Ta próbka ma 80-nanometrowe złote nanosfery w oleju.

Mieszaninę zamyka się między dwiema szklanymi płytkami. Kontynuuj, umieszczając próbkę na stoliku mikroskopu i dodając olej do obiektywów. W tym momencie przygotuj system detekcji do obrazowania.

Zbierz rozproszone światło za pomocą rurki powielacza zdjęć na końcu ścieżki optycznej. Z powrotem wzdłuż ścieżki wiązki umieść otwór o średnicy 20 mikrometrów, aby zablokować nieostre rozproszone światło z rurki powielacza zdjęć. Kontynuuj obrazowanie, włączając lusterka galwanowe i mnożnik zdjęć.

Obserwuj monitor komputera, aby zobaczyć tylny skaner w sygnale nanocząstek złota. Zmaksymalizuj sygnał skanera wstecznego, dostosowując pozycję otworka i wysokość stolika na próbkę. Po ustawieniu mikroskopu konfokalnego należy scharakteryzować nieliniowość rozpraszania próbki.

Aby to zrobić, najpierw użyj miernika mocy do pomiaru mocy lasera za soczewką obiektywu. Odczyt powinien być mniejszy niż 10 mikrowatów, co odpowiada intensywności wzbudzenia mniejszej niż 10 do czwartego wata na centymetr kwadratowy. Następnie uzyskaj obraz nanocząstek złota za pomocą rurki powielacza zdjęć.

Otwórz przechwycony obraz w oprogramowaniu do analizy obrazu, aby scharakteryzować profil intensywności rozpraszania. Wybierz złotą nanosferę spośród tych na obrazie i narysuj w poprzek niej linię. Następnie postępuj zgodnie z instrukcjami wymaganymi w oprogramowaniu, aby pobrać profil rozpraszania.

Dopasuj profil do gaussa, co pozwala na dalszą kontrolę wyrównania systemu obrazowania. Teraz zacznij systematycznie skanować intensywność wzbudzenia. Najpierw zmień filtr o neutralnej gęstości, aby zwiększyć intensywność wzbudzenia.

Określ nową intensywność wzbudzenia i zapisz obraz rozpraszania wstecznego na nowym poziomie intensywności. Użyj obrazu, aby wyodrębnić profil rozpraszania nanosfery, tak jak poprzednio. Wykreśl profil rozpraszania i określ jego wartość w środku kuli jako sygnał rozpraszania.

Powtórz te kroki kilka razy, aby zbudować wykres sygnału rozpraszania w funkcji intensywności wzbudzenia. Na tym rysunku niebieskie punkty reprezentują dane. Czerwona linia to dopasowanie wielomianowe.

Istnieje liniowa zależność między sygnałem rozpraszania a niskimi wartościami energii wzbudzenia. Spadek poniżej tej liniowej zależności wskazuje, że nastąpiło nasycenie. Kolejnym krokiem jest wykonanie spektroskopii na pojedynczej nanosferze złota.

Ten schemat zawiera przegląd konfiguracji. Użyj źródła lasera super-continuum o zakresie długości fali 450-1750 nanometrów. Użyj również szerokopasmowego rozdzielacza wiązki 50/50, aby zapewnić pokrycie widmowe w zakresie widzialnym.

Umieść obracane lustro przed tubą powielacza zdjęć, aby skierować światło w stronę spektrometru. Który jest wyposażony w urządzenie sprzężone z ładowaniem. Laser superkontinuum powinien być ustawiony przy użyciu tej samej procedury, co laser o długości fali 532 nanometrów.

Na wyjściu lasera superkontinuum należy podjąć pewne środki ostrożności w celu usunięcia nadmiaru mocy podczerwieni z systemu. Umieść lustra odbijające światło widzialne w ścieżce optycznej zaraz za wyjściem lasera, przed wysłaniem wiązki do mikroskopu. W połączeniu z lustrami użyj zrzutów wiązki do zbierania promieniowania podczerwonego, które może uszkodzić system.

Po wyrównaniu lasera uzyskaj i zobrazuj złote nanosfery. Obejrzyj obraz i zidentyfikuj pojedynczą nanosferę do badania. Ustaw ostrość padającego światła szerokopasmowego na wybranej nanosferze.

Następnie upewnij się, że spektrometr znajduje się w ścieżce optycznej. W tej pozycji odchylane lustro kieruje padające światło na rurkę powielacza zdjęć. Zmień orientację lustra, aby skierować padające światło na spektrometr.

Przystąp do zbierania danych na temat widma rozpraszania pojedynczej nanocząstki złota. Podobnie jak w tym przykładzie, zmierzone widmo będzie mieszaniną rozpraszania nanosfery i tła spowodowanego odbiciami. Po pobraniu widma zwróć obracane lustro.

Obróć go, aby skierować światło do rurki powielacza zdjęć. Zrób kolejne zdjęcie, aby potwierdzić, że nanocząstka złota nie zmieniła położenia. Następnie przesuń ostrość światła szerokopasmowego do punktu, w którym nie ma cząstki.

Zmień lustro ponownie, aby skierować światło do spektrometru i przystąp do wykonania kolejnego pomiaru widma. Nowe spektrum jest na drugim planie. Zostanie on odjęty od widma nanosfery złota.

Oto wyraźne widmo rozpraszania wstecznego uzyskane przez odjęcie widma tła od widma ze złotymi nanosferami. Mikroskopia wzbudzenia nasyconego próbki wymaga innej konfiguracji. To jest schemat mikroskopu wzbudzenia nasyconego.

Źródłem lasera jest laser o długości fali 532 nm. Użyj rozdzielacza wiązki 50/50, aby utworzyć dwie wiązki ze źródła lasera. Przepuść każdą wiązkę przez oddzielny akuustalny modulator optyczny.

Różne częstotliwości modulatorów generują częstotliwość dudnienia, która będzie służyć jako częstotliwość modulacji nasyconych sygnałów wzbudzenia. Połącz wiązki dyfrakcyjne pierwszego rzędu z akuustalnych modulatorów optycznych z innym rozdzielaczem wiązki 50/50. Aby monitorować modulację czasową, użyj szklanego szkiełka, aby oddzielić niewielką część światła laserowego do fotodetektora.

Aby sprawdzić system, podłącz fotodetektor do oscyloskopu. Upewnij się, że żadna próbka nie jest na miejscu. Oceń sygnał fotodetektora na oscyloskopie.

Sygnał powinien być sinusoidą na częstotliwości dudnienia, jeśli modulacja i nakładanie się wiązki są prawidłowe. W tym eksperymencie oczekiwana częstotliwość dudnień wynosi 10 kiloherców. Staraj się uzyskać jak najdoskonalszą sinusoidę przy minimalnej nieliniowości.

Następnym krokiem jest włączenie do systemu wzmacniacza typu lock-in. W przypadku mikroskopii wzbudzeń nasyconych wzmacniacz blokujący ma wejście z fotodetektora i rurki powielacza fotograficznego. Odłącz wyjście fotodetektora od oscyloskopu i podłącz je do wejścia odniesienia wzmacniacza.

Podłącz wyjście rurki powielacza fotograficznego do wzmacniacza lock-in jako wejście sygnału. Wyślij wyjście ze wzmacniacza na kartę rejestracji danych. W tym momencie zamontuj próbkę na stoliku mikroskopu.

Użyj tej samej próbki z 80-nanometrowymi nanosferami złota w oleju zamkniętym między dwiema szklanymi płytkami. Wróć do lock-in amplifier podczas wykonywania pomiarów. Ustaw amplifier tak, aby eksportował bezwzględną wielkość sygnału napięcia.

W takim przypadku wybierając R" w panelu wyświetlacza kanału 1. Zmień ustawienie składowej harmonicznej w kanale odniesienia, aby uzyskać pojedyncze amplitudy wzbudzenia nasyconego. Te kolorowe obrazy są tworzone przy użyciu niestandardowego oprogramowania do synchronizacji i łączenia sygnałów ze wzmacniacza blokującego i napięć sterujących silników galwanowych.

Obraz ze skaningowego mikroskopu elektronowego służy do porównania. Obrazy pokazują poprawę rozdzielczości za pomocą różnych składowych harmonicznych. Zmierzone widmo 80-nanometrowej złotej nanosfery jest zaznaczone na czerwono.

Krzywa bryłowa obliczona przy użyciu teorii Mie wykazuje doskonałą zgodność. Zlokalizowany powierzchniowy rezonans plazmonowy wynosi 580 nanometrów. Obrazy rozpraszające, powyżej, i profile liniowe, poniżej, mają różne cechy w funkcji intensywności wzbudzenia.

Przy niskiej intensywności funkcja rozrzutu punktowego jest standardowym profilem Gaussa. Wyższe intensywności powodują spłaszczenie i poszerzenie funkcji wskazujące na nasycenie. Przy wyższych wartościach intensywność centralna nie jest maksymalna, co skutkuje funkcją rozrzutu punktowego w kształcie pączka.

W końcu centralne natężenie ponownie staje się szczytem podczas odwrotnego nasycenia. Niebieskie punkty danych na tym wykresie centralnej intensywności przy różnych intensywnościach wzbudzenia ujawniają zarówno zachowanie nasycenia, jak i odwrotnego nasycenia. Punkty danych są dopasowane do wielomianu 5. rzędu wykreślonego na czerwono.

Dane te można wykorzystać do wyodrębnienia składowych częstotliwości harmonicznej. Składowe harmoniczne można również znaleźć bezpośrednio za pomocą wzmacniacza typu lock-in. Ten lewy wykres zawiera dane eksperymentalne.

Prawy wykres jest wynikiem obliczeń przy użyciu dopasowania wielomianu 5. rzędu. Oba wykresy wykazują spadki o określonej intensywności wzdłuż krzywych. Na przykład trzy spadki w drugiej harmonicznej.

Również na każdym wykresie, dla każdego rzędu harmonicznego, nachylenie wzrasta po pierwszym zanurzeniu. Po opanowaniu tej techniki można ją wykonać w mniej niż trzy godziny, jeśli wykonasz ją prawidłowo. Podczas wykonywania tej procedury ważne jest, aby sprawdzić jakość modulacji sinusoidalnej, liniowość systemu detekcji oraz stabilność mechaniczną próbki.

Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak osiągnąć zwiększenie rozdzielczości w oparciu o nieliniowe rozpraszanie z nanostruktur plazmonicznych. Technika ta stanowi aspirującą próbkę dla naukowców zajmujących się mikroskopią superrozdzielczą do zbadania nowego kontrastu w innych fundamentalnych oddziaływaniach światło-materia.