基于表面等離激元散射的

顯微成像與傳感教學(xué)儀器

SPP 主題版 · 教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

Surface-Plasmon-Enhanced Scattering Microscopy

and Sensing Educational Platform

產(chǎn)品概述

本SPP教學(xué)儀器面向現(xiàn)代光學(xué)、薄膜光學(xué)、納米光子學(xué)、顯微成像和光學(xué)傳感等課程教學(xué)。系統(tǒng)利用一維光子晶體調(diào)控入射光的角譜與偏振組成，使?jié)M足動(dòng)量匹配條件的 TM 偏振分量在金膜/介質(zhì)界面激發(fā)表面等離激元極化激元（SPP），并通過顆粒對(duì)界面近場(chǎng)的散射實(shí)現(xiàn)顯微成像和動(dòng)態(tài)傳感。照明、耦合、樣品、成像與數(shù)據(jù)采集模塊均可獨(dú)立調(diào)節(jié)，適用于基礎(chǔ)原理驗(yàn)證和綜合實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練。 

一維光子晶體耦合的表面等離激元增強(qiáng)散射成像原理

 核心特點(diǎn)

1.                      模塊化：照明、樣品、成像和檢測(cè)模塊均可獨(dú)立拆裝；

2.                      片上SPP耦合：利用一維光子晶體調(diào)控高波矢TM分量，在金膜/介質(zhì)界面建立表面等離激元近場(chǎng)；

3.                      低相干照明：降低激光散斑對(duì)教學(xué)觀察的干擾；

4.                      理論與實(shí)驗(yàn)貫通：可從傳輸矩陣、角譜、SPP色散推導(dǎo)到成像與傳感；

5.                      數(shù)據(jù)可量化：支持透射率、數(shù)值孔徑、圖像對(duì)比度、散射強(qiáng)度和傳感響應(yīng)計(jì)算。

一、基本原理

在一維光子晶體透射的光場(chǎng)中，橫磁偏振（TM）分量在滿足金膜與上方介質(zhì)界面的動(dòng)量匹配條件時(shí)，可耦合形成表面等離激元極化激元（surface plasmon polariton，SPP）。SPP 是沿金屬—介質(zhì)界面?zhèn)鞑ァ⒉⒃诖怪苯缑娣较虺手笖?shù)衰減的表面電磁模式。

本儀器采用“低相干 LED 光源—散射層—一維光子晶體—金膜/SPP 界面—顯微物鏡—管鏡—科研相機(jī)”的模塊化光學(xué)鏈路。

低相干紅色 LED 發(fā)出的照明光首先入射至散射層。散射層對(duì)入射光進(jìn)行多次隨機(jī)散射，使原本有限角度范圍內(nèi)的光束轉(zhuǎn)化為具有寬角度分布和多偏振分量的角譜，為后續(xù)一維光子晶體的動(dòng)量空間篩選提供豐富的入射波矢分量。與高相干激光照明相比，低相干 LED 可有效減弱散斑噪聲及相干干涉?zhèn)斡?，有利于獲得背景更加均勻、穩(wěn)定性更高的顯微圖像。

待測(cè)顆粒放置于金膜表面或位于表面等離激元的有效近場(chǎng)作用范圍內(nèi)。當(dāng)顆粒受到SPP近場(chǎng)照明時(shí)，其折射率、尺寸、形貌或表面狀態(tài)會(huì)對(duì)局部電磁場(chǎng)產(chǎn)生擾動(dòng)，并將部分表面模式能量散射或耦合為可向遠(yuǎn)場(chǎng)傳播的光信號(hào)。顆粒的散射強(qiáng)度及其隨時(shí)間的變化，可用于表征顆粒尺寸、聚集狀態(tài)、吸濕過程、化學(xué)反應(yīng)以及局部環(huán)境折射率變化等信息，可實(shí)現(xiàn)微納顆粒成像、定量檢測(cè)及動(dòng)態(tài)傳感。

基于一維光子晶體耦合的表面等離激元散射顯微成像與傳感系統(tǒng)

普通暗場(chǎng)成像與 SPP增強(qiáng)散射成像對(duì)比

二、五大核心教學(xué)實(shí)驗(yàn)

本SPP教學(xué)儀器設(shè)計(jì)了五大遞進(jìn)式實(shí)驗(yàn)?zāi)K，從系統(tǒng)搭建到前沿應(yīng)用，完整覆蓋表面等離激元光子學(xué)的核心知識(shí)點(diǎn)，適合本科高年級(jí)及研究生階段的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

實(shí)驗(yàn)一：片上SPP散射顯微系統(tǒng)的建立

【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/span>

認(rèn)識(shí)片上SPP散射顯微鏡的完整光學(xué)鏈路，掌握散射層、一維光子晶體、金膜樣品界面和顯微成像模塊的安裝關(guān)系，建立可重復(fù)的顆粒散射成像基準(zhǔn)。

【核心要點(diǎn)】

● 低倍物鏡下建立普通成像基準(zhǔn)，確認(rèn)焦面與視場(chǎng)中心

● 安裝散射層—1DPC—金膜完整結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)樣品高度與橫向位置

● 選擇目標(biāo)ROI與背景ROI，計(jì)算平均強(qiáng)度、標(biāo)準(zhǔn)差、SBR和SNR

● 通過空白背景、標(biāo)準(zhǔn)顆粒和缺層結(jié)構(gòu)對(duì)照判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性

實(shí)驗(yàn)二：表面等離激元增強(qiáng)耦合條件

【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/span>

理解TM高角度分量與金膜界面SPP的耦合關(guān)系，觀察金膜表面或近場(chǎng)范圍內(nèi)顆粒的散射信號(hào)，驗(yàn)證表面等離激元增強(qiáng)散射的物理機(jī)制。

【核心要點(diǎn)】

● SPP只能由滿足偏振與動(dòng)量條件的電磁場(chǎng)有效耦合（動(dòng)量匹配條件）

● 加載低濃度標(biāo)準(zhǔn)顆粒樣品，采集多個(gè)視場(chǎng)記錄亮點(diǎn)數(shù)量與積分強(qiáng)度

● 改變偏振、照明波長(zhǎng)或芯片方向，比較散射信號(hào)變化

● 使用空白基底、無金膜基底作為對(duì)照實(shí)驗(yàn)，嚴(yán)格歸因SPP增強(qiáng)效應(yīng)

納米顆粒及材料反應(yīng)成像

實(shí)驗(yàn)三：顆粒尺寸與散射強(qiáng)度標(biāo)度

【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/span>

使用不同粒徑的標(biāo)準(zhǔn)顆粒建立散射強(qiáng)度標(biāo)定曲線，討論Rayleigh散射與背景干涉項(xiàng)對(duì)標(biāo)度指數(shù)的影響，掌握定量散射成像的數(shù)據(jù)分析方法。

【核心要點(diǎn)】

● 對(duì)每種粒徑選取不少于20個(gè)孤立顆粒進(jìn)行統(tǒng)計(jì)

● 使用相同ROI計(jì)算背景扣除后的積分強(qiáng)度

● 繪制散射強(qiáng)度—粒徑曲線，用線性回歸估計(jì)標(biāo)度指數(shù)

● 討論飽和效應(yīng)、顆粒重疊與選擇偏差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響

顆粒直徑與散射強(qiáng)度的示例關(guān)系

實(shí)驗(yàn)四：顆粒吸濕與光學(xué)傳感

【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/span>

通過相對(duì)濕度變化引起的顆粒尺寸或折射率變化，獲得散射強(qiáng)度隨環(huán)境參數(shù)變化的傳感曲線，理解光學(xué)傳感的基本原理與性能評(píng)價(jià)方法。

【核心要點(diǎn)】

● 在穩(wěn)定低濕條件下采集基線，分級(jí)提高RH并等待系統(tǒng)穩(wěn)定

● 升濕后執(zhí)行降濕過程，觀察傳感響應(yīng)的滯后效應(yīng)

● 對(duì)同一顆粒進(jìn)行配準(zhǔn)，計(jì)算歸一化響應(yīng)曲線

● 繪制強(qiáng)度—RH曲線，討論轉(zhuǎn)變點(diǎn)、重復(fù)性和滯后特性

顆粒吸濕散射強(qiáng)度變化

實(shí)驗(yàn)五：材料反應(yīng)或界面過程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/span>

利用散射強(qiáng)度、顏色或形貌隨時(shí)間的變化，研究納米材料反應(yīng)、溶解、聚集、吸附或界面轉(zhuǎn)變過程，體驗(yàn)SPP顯微技術(shù)在前沿科研中的應(yīng)用。

【核心要點(diǎn)】

● 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)納米顆粒在化學(xué)反應(yīng)過程中的散射強(qiáng)度變化

● 觀察顆粒溶解、聚集或吸附過程的動(dòng)態(tài)行為

● 結(jié)合時(shí)間序列分析，提取反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)

● 探索界面轉(zhuǎn)變過程的光學(xué)表征新方法

顆粒與材料狀態(tài)變化成像

三、教學(xué)價(jià)值與課程適配

實(shí)驗(yàn)課程目標(biāo)

  1. 說明一維光子晶體的角度選擇性及其對(duì)SPP耦合所需高波矢TM分量的調(diào)控作用

  2. 使用傳輸矩陣或?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)分析TE/TM透射響應(yīng)

  3. 建立表面等離激元?jiǎng)恿科ヅ?、近?chǎng)作用與顆粒增強(qiáng)散射的物理圖像

  4. 獨(dú)立完成光路調(diào)節(jié)、圖像采集、定量分析和不確定度討論

  5. 按課程論文格式撰寫包含摘要、方法、結(jié)果、討論和參考文獻(xiàn)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告

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