[发明专利]基于非线性倏逝场的深移频超分辨显微芯片及其成像方法

权利要求书

1.一种基于非线性倏逝场的深移频超分辨成像芯片，其特征在于，包括由下至上依次堆叠设置的衬底层(101)、非线性光学材料膜层(102)、表面等离激元膜系(103)和微结构层(104)；所述表面等离激元膜系(103)和微结构层(104)的中央区域整体贯穿开设有多边形孔槽，多边形孔槽底部暴露出的部分非线性光学材料膜层(102)作为成像样品放置区(106)；环绕所述多边形孔槽，微结构层(104)的上表面刻设有若干组微结构(105)，微结构(105)为在下层表面等离激元膜系(103)中激发目标表面等离激元提供相应的倒格矢动量；不同位置处的微结构(105)具有不同的空间周期和取向性，用于激发具有不同波矢大小和波矢方向的表面等离激元。

2.根据权利要求1所述的一种基于非线性倏逝场的深移频超分辨成像芯片，其特征在于，若工作波段在可见光波段，则所述衬底层(101)和微结构层(104)的材料均采用SiO₂或Al₂O₃。

3.根据权利要求1所述的一种基于非线性倏逝场的深移频超分辨成像芯片，其特征在于，所述非线性光学材料膜层(102)材料为LiNbO₃或ITO。

4.根据权利要求1所述的一种基于非线性倏逝场的深移频超分辨成像芯片，其特征在于，采用溅射法、气相沉积法或脉冲激光沉积法在所述衬底层(101)上表面制备非线性光学材料膜层(102)。

5.根据权利要求1所述的一种基于非线性倏逝场的深移频超分辨成像芯片，其特征在于，所述表面等离激元膜系(103)采用双曲超表面型膜系，由周期性堆叠的非金属薄膜和金属薄膜构成，所述非线性光学材料膜层(102)上表面的第一层为金属材料薄膜；优选的，所述金属薄膜材料为Ag或Au，非金属薄膜为SiO₂、Al₂O₃或MgF₂。

6.根据权利要求1所述的一种基于非线性倏逝场的深移频超分辨成像芯片，其特征在于，采用溅射法、气相沉积法或脉冲激光沉积法在所述非线性光学材料膜层(102)上表面制备表面等离激元膜系(103)。

7.根据权利要求1所述的一种基于非线性倏逝场的深移频超分辨成像芯片，其特征在于，采用磁控溅射或气相沉积技术在表面等离激元膜系(103)上表面制备微结构层(104)，随后采用激光直写刻蚀、聚焦离子束刻蚀、电子束刻蚀或纳米压印技术在微结构层(104)上表面加工微结构(105)。

8.根据权利要求1所述的一种基于非线性倏逝场的深移频超分辨成像芯片，其特征在于，采用聚焦离子束刻蚀或电子束刻蚀技术在所述表面等离激元膜系(103)和微结构层(104)的中央区域整体贯穿开设多边形孔槽。

9.根据权利要求1所述的一种基于非线性倏逝场的深移频超分辨成像芯片，其特征在于，所述多边形孔槽的各边长与各微结构(105)依次对应，每个微结构(105)具有多个与所对应边长平行且沿轴向间隔设置的长条形孔槽。

10.一种利用权利要求1～9任一所述基于非线性倏逝场的深移频超分辨成像芯片的成像方法，其特征在于，具体如下：

步骤一，将目标样品放置在多边形孔槽内，单色光源作为信号光源(202)并从上方垂直落射照明样品区域，使用光学显微镜拍摄以获得携带样品低频信息的低频图像；

步骤二，改变所述步骤一中信号光源(202)的波长和入射角度来调控自由空间光横波矢的大小和方向，从而调控移频照明的移频量大小和方向，使用光学显微镜拍摄以获得携带样品各方位较高频信息的移频图像；

步骤三，一束单色光源做为信号光源(202)并从上方落射照明样品区域，另两束单色光源作为激发光源(201)并从上方落射照明微结构层(104)上的同一处或两处微结构(105)；在表面等离激元膜系(103)结构中激发大波矢体等离激元，并从多边形孔槽边沿处产生垂直对应边长传播的大波矢表面等离激元做为泵浦光源；由于非线性材料的存在以及表面等离激元的局域场特性，表面等离激元泵浦光可与自由空间信号光之间发生高效的四波混频，产生非线性倏逝场；得益于四波混频的频率叠加、动量叠加和光参量放大性质，该非线性倏逝场具有新光频率、更大且可调的横波矢以及足够的强度，传输至样品位置可实现更大移频量的照明；通过在光学显微镜前添加相应窄带滤光片，拍摄获得携带样品高频信息的移频图像；

步骤四，改变所述步骤三中两束激发光源(201)的照明位置，依次激发不同方位的微结构(105)，同时改变信号光源(202)入射角度来微调四波混频动量叠加结果，从而产生具有不同波矢大小和波矢方向的非线性倏逝场，实现不同大小和方向的大移频量照明，重复所述步骤三的拍摄过程来依次获得携带样品不同方位高频信息的移频图像；

步骤五，将步骤一至步骤四拍摄的全部图像输入迭代重构算法，图像中包含的低频、较高频和高频空间频谱信息依次被恢复至正确的频谱位置，最终得到空间频谱范围极大拓展的深移频超分辨图像，实现目标样品的成像。