[論文レビュー] Terahertz non-label subwavelength imaging with composite photonics-plasmonics structured illumination

Jin Zhao, Li‐Zheng Yin+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 19, 2021

Photonic and Optical Devices参考文献 41被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、金属グレーティング上でのスプーフ表面プラズモン（SSPs）を用いて高次空間周波数成分を検出可能な低次成分へ変換する複合フォトニクス-プラズモニクス構造化照明を用いた、ラベルフリーなサブウェーブレングスTHzイメージング手法を提案する。SSPsを用いた照明と垂直および斜め入射の進行波励起を組み合わせ、反復的後処理アルゴリズムを適用することで、0.12λ₀の分解能を達成し、古典的回折限界を超えて、蛍光標識なしで弱い散乱を示す試料のイメージングが可能となる。

ABSTRACT

Inspired by the capability of structured illumination microscopy in subwavelength imaging, many researchers devoted themselves to investigating this methodology. However, due to the free propagating feature of the traditional structured illumination fields, the resolution can be only improved up to double times compared with the diffractied limited microscopy. Besides, most of the previous studies, relying on incoherent illumination sources, are restricted to fluorescent samples. In this work, a subwavelength nonfluorescent imaging method is proposed based on the terahertz traveling wave and plasmonics illumination. Excited along with a metal grating, the spoof surface plasmons are employed as the plasmonics illumination. When the scattering waves with the SSPs illumination are captured, the high order spatial frequency components of the sample are already encoded into the obtainable low order ones. Then, an algorithm is summarized to shift the modulated SF components to their actual positions in the Fourier domain. In this manner, high order SF components carrying the fine information are introduced to reconstruct the desired imaging, leading to an improvement of the resolution up to 0.12 lambda. Encouragingly, the resolution can be further enhanced by tuning the working frequency of the SSPs. This method holds promise for some important applications in terahertz nonfluorescent microscopy and sample detection with weak scattering.

研究の動機と目的

• 非蛍光的・ラベルフリー試料におけるTHz顕微鏡の回折限界を克服すること。
• 従来の構造化照明顕微鏡（SIM）に制限される2倍の改善にとどまらない分解能制限を解消すること。
• コherentで、プラズモニックかつフォトニックな構造化照明を用いて、THz帯域におけるサブウェーブレングスイメージングを実現すること。
• 変調された検出可能な低次空間周波数成分から高次空間周波数成分を再構成する後処理アルゴリズムの開発。
• 試料の誘電率および幾何形状の変動に対して本手法の頑健性を実証すること。

提案手法

• 本手法は、試料の高次空間周波数（SF）成分を検出可能な低次SF成分へエンコードするため、金属グレーティング上に励起されたスプーフ表面プラズモン（SSPs）をプラズモニック照明として用いる。
• 垂直および斜め入射の進行波（フォトニクス照明）を用いて、SSPsの寄与を補完する追加の低次SF情報の取得を行う。
• 試料からの散乱場を、それぞれ異なる空間周波数変調に対応する9種の異なる照明パターンの下で測定する。
• 反復的後処理アルゴリズムを適用して、変調されたSF成分をフーリエドメインにおける真の位置へシフトし、帯域幅の広いSFスペクトルを再構成する。
• コherentなポイント spread function（PSF）は、k₀でカットオフを持つ長方形のローパスフィルタとしてモデル化され、システムの検出帯域幅を模擬する。
• プラズモニックおよびフォトニック照明を組み合わせることで、有効な数値孔径を拡大し、回折限界を超えた分解能を向上させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スプーフ表面プラズモン（SSPs）を用いて、非蛍光的試料のTHzイメージングでサブウェーブレングス分解能を達成できるか？
• RQ2 SSPsと進行波照明の組み合わせが、従来のSIMに比べて有効な空間周波数帯域幅をどのように拡大するか？
• RQ3 SSPsの作動周波数を調整することで、どの程度分解能を向上させられるか？
• RQ4 提案手法は、散乱強度の違いに基づいて異なる誘電率（ε = 2.5 と ε = 4.5）を有する試料を区別できるか？
• RQ5 試料の幾何形状および誘電特性の変動に対して、イメージング再構成アルゴリズムの頑健性はどの程度か？

主な発見

• 提案手法は、アッベおよびレイリーの回折基準の両方で検証された0.12λ₀のサブウェーブレングス分解能を達成した。
• SSPsの作動周波数を調整することで分解能をさらに向上できることから、性能のチューナブル性が示された。
• 同一の試料を0.225λ₀のギャップで配置した場合の再構成に成功し、サブウェーブレングス分解能の能力を実証した。
• 散乱強度の違いに基づいて、誘電率がそれぞれε = 2.5およびε = 4.5の試料を区別できることが確認された。
• ギャップが0.25λ₀および0.45λ₀の3つの試料が正常に再構成されたことから、マルチオブジェクトイメージングの能力が確認された。
• 高さ、幅、誘電率を含むさまざまな試料パrameterに対して、シミュレーションによる検証を通じて本手法の頑健性が裏付けられた。