Tek plasmonik Nanoparçacığı gelen doğrusal olmayan Saçılma Ölçülmesi

Bu deneyin genel amacı, plazmonik nanoyapılardan doğrusal olmayan saçılma ile çözünürlük artışını göstermektir. Optik mikroskopi alanında kontrast ve çözünürlük en önemli faktörlerdir. Tekniğimiz, kontrasta dayalı yeni saçılma ile süper çözünürlük alanına genişliyor.

Bu tekniğin temel avantajı, nanopartiküllerden saçılmanın güçlü, yüksek oranda doğrusal olmayan ve ağartma olmamasıdır. Prosedürü gösteren Hsuan Lee olacak. Laboratuvarımdan daha büyük bir öğrenci.

Deney optik bir tezgah üzerinde gerçekleştirilecektir. Bir mikroskop ve iki lazer kaynağının olduğu yer. İlk lazer kaynağı, görüntüleme için kullanılan 532 nanometre sürekli dalga lazeridir.

İkincisi, spektroskopi ölçümleri için kullanılan bir süper sürekli lazerdir. Bu, hem görüntüleme hem de spektroskopi için temel kurulumun bir şemasıdır. Numuneler, konfokal mikroskopta bir piezoelektrik konumlandırma aşamasına monte edilecektir.

532 nanometre lazerden gelen ışık, nötr yoğunluk filtresinden geçer. Işın, bir ışın ayırıcı tarafından, konfokal mikroskop objektifinin odak düzleminde raster tarama sağlayan galvano aynalara yönlendirilir. Geriye doğru saçılan ışık, objektif tarafından toplanır ve dedektöre odaklanır.

Mikroskobun beyaz ışık aydınlatma yolunu hizalayarak başlayın. Halojen ışık kaynağını kıvırıcı aydınlatması altında kullanın. İç irisin hizalamasını doğrulamak için, mercek veya CCD aracılığıyla sekizgen üzerindeki keskin kenarları gözlemlediğinizden emin olun.

Ardından, harici ışık yolunu kontrol etmek için bir parça kağıt kullanın. Işınların ışın ayırıcı tarafından kısmen yansıtıldığını doğrulayın ve kağıdı ışık yolu boyunca hareket ettirerek lazere doğru yayın. Şimdi, daha fazla hizalamaya yardımcı olacak hazır kağıt hedeflere sahip olun.

Hedefler, eşmerkezli halkaları olan ince kağıt üzerinde olmalıdır. Bu hedefleri, halojen ışınla hizalanacak şekilde ışın yolu boyunca yerleştirin. Burada, objektif merceğin arka diyafram açıklığında bir hedef konumdadır.

Bu, optik yol boyunca konumdaki başka bir hedeftir. Ardından, hizalamak için görüntüleme için kullanılan 532 nanometre lazeri açın. Halojen ışınının karşısındaki gelen lazer ışığını birleştirmeye yardımcı olması için kağıt hedefleri kullanın.

Hedefleri çıkarmadan ve devam etmeden önce lazer ışınının daha ince hizalanmasına devam edin. Lazeri hizaladıktan sonra, deney için hazırlanmış bir altın nanosfer örneği elde edin. Bu numunenin yağında 80 nanometre altın nanoküre var.

Karışım iki cam plaka arasına kapatılır. Numuneyi mikroskop aşamasına monte ederek ve objektif yağ ekleyerek devam edin. Bu noktada, algılama sistemini görüntüleme için hazır hale getirin.

Optik yolun sonundaki fotoğraf çarpan tüpü ile dağınık ışığı toplayın. Işın yolu boyunca geri dönün, fotoğraf çarpan tüpünden odak dışı dağılan ışığı engellemek için 20 mikrometre çapında bir iğne deliğine sahip olun. Galvano aynaları ve fotoğraf çarpanını açarak görüntülemeye devam edin.

Altın nanopartiküllerin sinyalinde arka tarayıcıyı görmek için bilgisayar monitörünü gözlemleyin. İğne deliği konumunu ve numune aşamasının yüksekliğini ayarlayarak arka tarayıcıyı sinyalde en üst düzeye çıkarın. Konfokal mikroskobu hizaladıktan sonra, numunenin saçılma doğrusal olmayanlığını karakterize edin.

Bunu yapmak için, önce objektif merceğinden sonra lazer gücünü ölçmek için bir güç ölçer kullanın. Okuma, santimetre kare başına 10 ila dördüncü watt'tan daha az bir uyarma yoğunluğuna karşılık gelen 10 mikrowatt'tan az olmalıdır. Ardından, foto çarpan tüpünü kullanarak altın nanopartiküllerin bir görüntüsünü elde edin.

Saçılma yoğunluğu profilini karakterize etmek için yakalanan görüntüyü görüntü analiz yazılımında açın. Resimdekiler arasından altın bir nanosfer seçin ve üzerine bir çizgi çizin. Ardından, saçılma profilini almak için yazılımda gerekli adımları izleyin.

Profili, görüntüleme sisteminin hizalaması üzerinde daha fazla kontrol sağlayan bir gauss'a yerleştirin. Şimdi, uyarma yoğunluklarını sistematik olarak taramaya başlayın. İlk olarak, uyarma yoğunluğunu artırmak için nötr yoğunluk filtresini değiştirin.

Yeni uyarma yoğunluğunu belirleyin ve geri saçılma görüntüsünü yeni yoğunluk seviyesinde kaydedin. Daha önce olduğu gibi bir nanosferin saçılma profilini çıkarmak için görüntüyü kullanın. Saçılma profilini çizin ve saçılma sinyali olarak kürenin merkezindeki değerini belirleyin.

Uyarma yoğunluğuna karşı saçılma sinyalinin bir grafiğini oluşturmak için bu adımları birkaç kez tekrarlayın. Bu şekilde, mavi noktalar verileri temsil eder. Kırmızı çizgi bir polinom uyumudur.

Saçılma sinyali ile uyarma enerjisinin düşük değerleri arasında doğrusal bir ilişki vardır. Bu doğrusal ilişkinin altına düşme, doygunluğun oluştuğunu gösterir. Bir sonraki adım, tek bir altın nanosfer üzerinde spektroskopi yapmaktır.

Bu şema, kuruluma genel bir bakış sağlar. 450-1750 nanometre dalga boyu aralığına sahip bir süper sürekli lazer kaynağı kullanın. Ayrıca, görünür spektrum üzerinde spektral kapsama alanı sağlamak için geniş bantlı bir 50/50 ışın ayırıcı kullanın.

Işığı spektrometreye yönlendirmek için foto çarpan tüpünün önüne bir çevirme aynası yerleştirin. Şarj bağlantılı bir cihazla donatılmıştır. Süper sürekli lazer, 532 nanometre lazerle aynı prosedür kullanılarak hizalanmalıdır.

Süper sürekli lazerin çıkışında, sistemdeki fazla kızılötesi gücü kesmek için bazı önlemler alın. Işını mikroskoba göndermeden önce, görünür ışığı yansıtan aynaları lazer çıkışından hemen sonra optik yola yerleştirin. Aynalarla birlikte, sisteme zarar verebilecek kızılötesi radyasyonu toplamak için ışın dökümleri kullanın.

Lazer hizalandığında, altın nanokürelerin görüntüsünü elde edin ve görüntüleyin. Görüntüyü görüntüleyin ve çalışma için tek bir nanosfer tanımlayın. Gelen geniş bant ışığının odağını seçilen nanosfere sabitleyin.

Ardından, spektrometrenin optik yolda olduğundan emin olun. Bu konumda, çevrilen ayna gelen ışığı fotoğraf çarpan tüpüne yönlendirir. Gelen ışığı spektrometreye yönlendirmek için aynayı yeniden yönlendirin.

Tek altın nanoparçacığın saçılma spektrumu hakkında veri toplamaya devam edin. Bu örnekte olduğu gibi, ölçülen spektrum, yansımalar nedeniyle nanosfer saçılımı ve arka planın bir karışımı olacaktır. Spektrumu aldıktan sonra, ters aynayı geri koyun.

Işığı fotoğraf çarpan tüpüne yönlendirmek için çevirin. Altın nanoparçacığın konumunun değişmediğini doğrulamak için başka bir görüntü çekin. Ardından, geniş bant ışığının odağını parçacık olmayan bir noktaya kaydırın.

Işığı spektrometreye yönlendirmek için aynayı tekrar değiştirin ve başka bir spektrum ölçümü yapmaya devam edin. Yeni spektrum arka plandadır. Altın nanosferin spektrumundan çıkarılacaktır.

İşte altın nanoküreler ile spektrumdan arka plan spektrumunun çıkarılmasıyla üretilen net geri saçılma spektrumu. Numunenin doymuş uyarma mikroskobu farklı bir kurulum gerektirir. Bu, doymuş uyarma mikroskobunun şematiğidir.

Lazer kaynağı 532 nanometrelik bir lazerdir. Lazer kaynağından iki ışın oluşturmak için 50/50 ışın ayırıcı kullanın. Her ışını ayrı bir akustal optik modülatörden geçirin.

Farklı modülatör frekansları, doymuş uyarma sinyallerinin modülasyon frekansı olarak hizmet edecek bir vuruş frekansı üretir. Akustal optik modülatörlerden gelen birinci dereceden kırınımlı ışınları başka bir 50/50 ışın ayırıcı ile birleştirin. Zamansal modülasyonu izlemek için, lazer ışığının küçük bir bölümünü bir fotoğraf dedektörüne bölmek için bir cam slayt kullanın.

Sistemi kontrol etmek için fotoğraf dedektörünü bir osiloskopa bağlayın. Hiçbir numunenin yerinde olmadığından emin olun. Osiloskop üzerindeki foto dedektör sinyalini değerlendirin.

Modülasyon ve ışın örtüşmesi doğruysa, sinyal vuruş frekansında bir sinüzoid olmalıdır. Bu deney için beklenen vuruş frekansı 10 kilohertz'dir. Minimum doğrusal olmama ile mümkün olduğunca mükemmel bir sinüzoid elde etmek için çaba gösterin.

Bir sonraki adım, sisteme kilitli bir amplifikatör dahil etmektir. Doymuş uyarma mikroskobu için, kilitli amplifikatör, fotoğraf dedektöründen ve fotoğraf çarpan tüpünden gelen girişe sahiptir. Fotoğraf dedektörünün çıkışını osiloskoptan ayırın ve amplifikatörün referans girişine bağlayın.

Fotoğraf çarpan tüpünün çıkışını kilitli amplifikatöre sinyal girişi olarak bağlayın. Amplifikatörden gelen çıktıyı bir veri toplama kartına gönderin. Bu noktada, numuneyi mikroskop tablasına monte edin.

Aynı numuneyi, iki cam plaka arasına kapatılmış yağda 80 nanometre altın nanoküre ile kullanın. Kilitli amplifikatöre geri dönün ölçüm yaparken. Voltaj sinyalinin mutlak büyüklüğünü dışa aktarmak için amplifikatörü ayarlayın.

Bu durumda, kanal 1 gösterge panelinde R" öğesini seçerek. Doymuş uyarma tek genliklerini elde etmek için referans kanalındaki harmonik bileşen ayarını değiştirin. Bu renkli görüntüler, kilitli amplifikatörden gelen sinyalleri ve galvano motorların sürüş voltajlarını senkronize etmek ve birleştirmek için özel yazılım kullanılarak oluşturulur.

Taramalı elektron mikroskobu görüntüsü karşılaştırma içindir. Görüntüler, farklı harmonik bileşenlerle çözünürlük iyileştirmesini göstermektedir. 80 nanometre altın nanosferin ölçülen spektrumu kırmızı renktedir.

Mie teorisi kullanılarak hesaplanan katı eğri, mükemmel bir uyum gösterir. Lokalize yüzey plazmon rezonansı 580 nanometredir. Yukarıdaki saçılma görüntüleri ve aşağıdaki çizgi profilleri, uyarma yoğunluğunun bir fonksiyonu olarak farklı özelliklere sahiptir.

Düşük yoğunlukta, nokta yayılma fonksiyonu standart bir gauss profilidir. Daha yüksek yoğunluklar, doygunluğu gösteren fonksiyonun düzleşmesine ve genişlemesine neden olur. Daha yüksek değerlerde, merkezi yoğunluk maksimum değildir, bu da halka şeklinde bir nokta yayılma işleviyle sonuçlanır.

Sonunda, ters doygunluk sırasında merkezi yoğunluk tekrar zirve haline gelir. Farklı uyarma yoğunluklarındaki merkezi yoğunluğun bu grafiğindeki mavi veri noktaları, hem doygunluğu hem de ters doygunluk davranışını ortaya çıkarır. Veri noktaları, kırmızı ile çizilmiş 5. dereceden bir polinoma uygundur.

Bu veriler, harmonik frekans bileşenlerini çıkarmak için kullanılabilir. Harmonik bileşenler ayrıca doğrudan kilitli amplifikatör kullanılarak da bulunabilir. Soldaki bu çizim deneysel verilerden oluşmaktadır.

Doğru çizim, 5. dereceden polinom uyumu kullanılarak yapılan hesaplamanın sonucudur. Her iki çizim de eğriler boyunca belirli yoğunluklarda düşüşler sergiler. Örneğin, ikinci harmonikte üç düşüş.

Ayrıca her grafikte, her harmonik düzen için, ilk daldırmadan sonra eğim artar. Bir kez ustalaştıktan sonra, düzgün bir şekilde uygularsanız bu teknik üç saatten daha kısa sürede yapılabilir. Bu prosedürü denerken, sinüzoidal modülasyonun kalitesini, algılama sisteminin doğrusallığını ve numunenin mekanik stabilitesini kontrol etmek önemlidir.

Bu videoyu izledikten sonra, plazmonik nanoyapılardan doğrusal olmayan saçılmaya dayalı çözünürlük geliştirmenin nasıl elde edileceğini iyi anlamış olmalısınız. Bu teknik, diğer temel ışık-madde etkileşimlerinde yeni kontrastları keşfetmek için süper çözünürlüklü mikroskopi alanındaki araştırmacılar için hevesli bir örnek sağlar.