表面波光學(xué)顯微鏡主要用于研究表面或界面處光與物質(zhì)的相互作用、樣品表面或界面處的行為特征。目前常用的表面波光學(xué)顯微鏡是：利用金屬（通常為金或銀）薄膜負載的表面等離子體波（Surface Plasmons, SPs）作為照明光源的表面等離子體共振顯微鏡（Surface Plasmon Resonance Microscopy, SPRM），它被廣泛應(yīng)用于細胞、細菌、病毒、DNA、蛋白質(zhì)等生物體的無標(biāo)記成像研究。但SPRM存在兩個不足之處，限制了其更為廣泛的應(yīng)用。第一，由于SPs的傳播特性，導(dǎo)致了SPRM在SPs傳播方向的空間分辨率通常為幾個微米，遠大于光波的衍射極限；第二，由于SPs需要特定的激發(fā)條件且顯微物鏡的數(shù)值孔徑有限，導(dǎo)致了SPRM對入射光的波長、偏振及襯底材料有一定要求，如入射光必須是長波，且必須是p偏振光，樣品必須放置在金屬材料上。

針對上述不足之處，我院光學(xué)與光學(xué)工程系微納光學(xué)與技術(shù)課題組張斗國副教授、王沛教授，與浙江大學(xué)劉旭、匡翠方教授，中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機械研究所劉建國、桂華僑研究員，我校高分子科學(xué)與工程系鄒綱教授，美國馬里蘭大學(xué)醫(yī)學(xué)院J.R. Lakowicz教授等合作，提出并實現(xiàn)了一種基于旋轉(zhuǎn)照明的表面波光學(xué)顯微成像新技術(shù)，提高了無標(biāo)記成像的分辨率，拓展了表面波光學(xué)顯微鏡的應(yīng)用范疇，相關(guān)研究成果以“Label-free surface-sensitive photonic microscopy with high spatial resolution using azimuthal rotation illumination”為題發(fā)表在國際權(quán)威期刊《Science Advances》上。

圖1： (a)基于旋轉(zhuǎn)照明的表面波顯微鏡實驗架構(gòu)；(b) 利用雙振鏡掃描系統(tǒng)控制入射角度(徑向角θ和方位角φ)

圖1a所示為在自主搭建的光學(xué)顯微鏡上加載了旋轉(zhuǎn)照明模塊。利用掃描振鏡精確、高速的調(diào)節(jié)光束入射角度，在保持徑向角度（θ對應(yīng)表面波的共振激發(fā)角度）不變的情況下，讓方位角在0o到360o之間高速旋轉(zhuǎn)（圖1b），進而在各個方向激發(fā)傳播的SPs。無需圖像處理，利用探測器采集圖像的時間平均效應(yīng)可自然的提高SPRM成像分辨率。如圖2a所示，被成像樣品是一根彎曲介質(zhì)納米線，利用常規(guī)的SPRM只能看到模糊的圖案，并有很多條紋造成的假象；而利用旋轉(zhuǎn)照明SPRM，可有效分辨出此納米線的形貌和彎曲（圖2b）。對比實驗證明，旋轉(zhuǎn)照明有效的提高了SPRM成像分辨率，解決了目前SPRM存在的第一個不足之處。

圖2：SPRM成像效果對比圖，單根彎曲納米線放置在金屬薄膜上，(a)常規(guī)SPRM成像圖，(b)旋轉(zhuǎn)照明SPRM成像圖。

為了解決第二個不足之處，介質(zhì)多層膜負載的布洛赫表面波（Bloch Surface Waves, BSWs）被提出用來替代金屬薄膜的SPs，從而研制出了另外一種表面波光學(xué)顯微鏡：Bloch surface wave microscopy (BSWM)。其優(yōu)勢在于：介質(zhì)薄膜（頂層材料為玻璃）穩(wěn)定性優(yōu)于金屬薄膜且易于進行生化修飾；BSWM既可以工作于長波也可以工作于短波；BSWs的穿透深度可以調(diào)節(jié)，可以實現(xiàn)不同深度的表面成像；BSWM可以工作于p偏振和s偏振入射光，有利于偏振敏感樣品的測量與表征。基于這些優(yōu)勢，BSWM的應(yīng)用范圍更為廣泛。

該論文共同第一作者是光學(xué)與光學(xué)工程系研究生蒯雁和課題組畢業(yè)生陳俊學(xué)博士（現(xiàn)工作于西南科技大學(xué)），通訊作者為張斗國副教授。上述研究工作得到了科技部，國家自然科學(xué)基金委，安徽省科技廳等項目經(jīng)費的支持。相關(guān)樣品制作工藝得到了中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)微納研究與制造中心的儀器支持與技術(shù)支撐。