[논문 리뷰] Terahertz non-label subwavelength imaging with composite photonics-plasmonics structured illumination

Jin Zhao, Li‐Zheng Yin외 5명|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 19.

Photonic and Optical Devices참고 문헌 41인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 복합 광학-플라스모닉 구조 조명을 이용한 테라헤르츠 비표지 하위파장 영상 기법을 제안한다. 이 기법은 금속 격자에 존재하는 흉내 낸 표면 플라스몬(Spoofted Surface Plasmons, SSPs)을 활용하여 고차원 공간 주파수 성분을 검출 가능한 저차원 성분으로 변조한다. SSPs 조명과 수직 및 경사 입사 진행파 자극을 조합하고, 반복적 후처리 알고리즘을 적용함으로써, 최대 0.12λ₀의 해상도를 달성하여 고전적 회절 한계를 초월하며, 표지가 필요 없고 약한 산산이 흩어지는 샘플의 영상 촬영이 가능하다.

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.

연구 동기 및 목표

• 비형광 및 표지가 없는 샘플을 대상으로 한 테라헤르츠 현미경에서 회절 한계를 극복하기 위해.
• 기존의 구조 조명 현미경(SIM)이 두 배 향상에 국한되어 있는 해상도 제한 문제를 해결하기 위해.
• 공명성, 플라스모닉 및 광학적 구조 조명을 이용해 테라헤르츠 대역에서 하위파장 영상 촬영을 가능하게 하기 위해.
• 변조된 검출 가능한 저차원 공간 주파수 성분으로부터 고차원 공간 주파수 성분을 재구성하는 후처리 알고리즘을 개발하기 위해.
• 샘플의 허용율 및 기하학적 형태 변화에 대해도 영상 복원 알고리즘이 얼마나 견고한지 검증하기 위해.

제안 방법

• 이 방법은 샘플의 고차원 공간 주파수(SF) 성분을 검출 가능한 저차원 SF 성분으로 인코딩하기 위해 금속 격자에 의해 유도된 흉내 낸 표면 플라스몬(SSPs)을 플라스모닉 조명으로 활용한다.
• 수직 및 경사 입사 진행파(광학적 조명)를 사용하여 추가적인 저차원 SF 정보를 확보함으로써 SSPs의 기여를 보완한다.
• 각기 다른 공간 주파수 변조에 해당하는 아홉 가지 다른 조명 패턴 하에서 샘플의 산산이 흩어지는 필드를 측정한다.
• 반복적 후처리 알고리즘을 적용하여 변조된 SF 성분을 푸리에 도메인에서 진짜 위치로 이동시켜 넓은 대역의 SF 스펙트럼을 재구성한다.
• 공명성 점원함수(PSF)는 k₀에서 절단되는 직사각형 저통과 필터로 모델링되며, 시스템의 검출 대역폭을 시뮬레이션한다.
• 플라스모닉 및 광학적 조명을 조합하여 효과적인 수치적 비율을 확장하고 회절 한계를 초월한 해상도 향상을 달성한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 흉내 낸 표면 플라스몬(SSPs)을 사용하여 비형광 샘플의 테라헤르츠 영상에서 하위파장 해상도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 SSPs와 진행파 조명의 조합이 기존 SIM을 초월하여 효과적인 공간 주파수 대역폭을 어떻게 향상시키는가?
• RQ3 SSPs의 작동 주파수를 조정함으로써 해상도를 얼마나 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 제안된 방법은 산란 강도의 차이를 기반으로 상대 허용율이 다른 샘플(예: ε = 2.5 및 ε = 4.5)을 구별할 수 있는가?
• RQ5 샘플 기하학적 형태와 유전율 특성의 변화에 대해 영상 복원 알고리즘이 얼마나 견고한가?

주요 결과

• 제안된 방법은 아브베 및 레일리의 회절 기준을 모두 검증하여 0.12λ₀의 하위파장 해상도를 달성한다.
• SSPs의 작동 주파수를 조정함으로써 해상도를 추가로 향상시킬 수 있으며, 이는 조절 가능한 성능을 나타낸다.
• 동일한 두 샘플 사이에 0.225λ₀ 간격이 존재하는 경우에도 성공적으로 재구성하여 하위파장 해상도 능력을 입증한다.
• 산란 강도의 차이를 기반으로 상대 허용율이 다른 샘플(예: ε = 2.5 및 ε = 4.5)을 영상 시스템이 구별할 수 있다.
• 간격이 각각 0.25λ₀ 및 0.45λ₀인 세 개의 샘플이 성공적으로 재구성되어 다중 물체 영상 촬영 능력을 확인한다.
• 높이, 너비, 허용율 등의 다양한 샘플 매개변수에 대해 시뮬레이션을 통해 검증된 바와 같이, 이 방법은 높은 견고성을 보인다.