表面等离子激元：数字技术可以在没有透镜的情况下实时全息成像

研究人员利用等离子激元波对表面特征的极端敏感性，可以使全息成像系统快到足以监测微秒级的结合过程。来自美国伯特利大学的Nathan Lindquist及其加拿大维多利亚大学的同事们采用激光激发的方法，将相干的等离子激元波导向目标物体，例如位于超光滑银膜上的微珠。参考波和从样品发出的波之间形成的干涉图案，经扫描探针尖端或荧光膜捕获后形成了不同的全息图像。数字重建技术使得系统能够在没有等离子光学元件的情况下再现等离子激元场，并产生多个物体的高分辨率全息图像。现有的等离子传感器需要二维数据，速度较慢，而数字重建技术技术可以从单一的一维扫描中产生全息图像，所以它在实时成像应用中前景非常光明。

文章中，作者展示了表面等离子激元数字全息成像技术，利用表面等离子激元波的传播直接平面内成像。表面等离子激元成像受限于缺乏简单的平面内透镜和反射镜，而无透镜的数字全息成像依赖于对参考波和目标波之间的干涉图案进行的数字解码技术。利用远场衍射光学技术，数字解码可以根据二维记录的数据给出三维信息，提供出目标波的振幅和相位的完整记录，即全息图。然而，对于等离子激元，仅仅需要一维的记录数据，传播的等离子激元波的相位和振幅经提取后可被用于高分辨率的面内成像。实验中，研究者使用了双探针近场扫描光学显微镜和光刻圆形荧光屏，两种不同的方法来记录无镜头点光源等离子激元数字全息成像的等离子激元全息图。由于点光源的几何结构具有提供平面内放大的功能，所以可以使用相对较低分辨率的显微镜物镜进行高分辨率成像。这项技术无需等离子激元反射镜或透镜而可以收集完整的复杂波形，为新型面内等离子激元成像技术的发展奠定了基础。

（a）等离子激元参考波在表面传播；（b）在表面传播的等离子激元波与微小的物体相互作用形成散射的目标波，目标波与参考波干涉形成等离子激元全息图；（c）通过双探针近场扫描光学显微镜记录全息图像；（d）通过荧光屏记录全息图像。通常在y或φ方向上记录全息图，并且在已知的参考波被移除之后，等离子激元场可以在-x或-ρ方向上反向传播以重建原始物体波的幅度和相位

图1 实验原理示意图

（a）带有固定光源和第二个扫描探针的双探针装置-用于记录全息图像；（b）通过移动样品台将聚苯乙烯球置于两个探针之间；（c）物体的原子力显微镜扫描图像；（d）等离子激元的同步近场扫描图像；（e）全息图在图（d）虚线处的横截面特征

图2 使用双探针近场扫描光学显微镜（NSOM）的等离子激元数字全息成像

（a）用于等离子激元全息成像的PMMA屏幕的扫描图像；（b）等离子激元全息图的荧光图像；（c）沿着虚线从图像中提取一维等离子激元全息图；（d）物体的数字重建；（e）三个物体的荧光图像；（f）三个物体的全息图；（g）三个物体的数字重建

图3 使用荧光屏的等离子激元数字全息成像

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