[论文解读] 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 9

一句话总结

该论文提出了一种利用复合光子-等离子体结构照明的太赫兹非标记亚波长成像方法，通过金属光栅上的仿生表面等离子体（SSPs）将高阶空间频率分量下混频至可检测的低阶分量。结合SSPs照明与垂直及斜入射行波激励，并应用迭代后处理算法，该方法实现了高达0.12λ₀的分辨率，超越经典衍射极限，实现了对无荧光标记、弱散射样品的无标记成像。

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.

研究动机与目标

• 克服太赫兹显微成像中非荧光、无标记样品的衍射极限限制。
• 解决传统结构照明显微术（SIM）分辨率受限于两倍提升的局限性。
• 在太赫兹波段实现基于相干、等离子体和光子结构照明的亚波长成像。
• 开发一种后处理算法，从调制后的可检测低阶空间频率分量中重建高阶空间频率分量。
• 验证该方法在不同样品介电常数和几何形状下的鲁棒性。

提出的方法

• 该方法利用金属光栅上激发的仿生表面等离子体（SSPs）作为等离子体照明，将样品的高阶空间频率（SF）分量编码为可检测的低阶SF分量。
• 采用垂直和斜入射的行波（光子学照明）以捕获额外的低阶SF信息，补充SSPs的贡献。
• 在九种不同的照明图案下测量样品的散射场，每种图案对应不同的空间频率调制。
• 应用迭代后处理算法，将调制后的SF分量移至傅里叶域中的真实位置，重建出宽带SF谱。
• 相干点扩散函数（PSF）建模为截止频率为k₀的矩形低通滤波器，模拟系统的检测带宽。
• 该方法结合等离子体与光子学照明，扩展有效数值孔径，实现超越衍射极限的分辨率提升。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用仿生表面等离子体（SSPs）实现非荧光样品太赫兹成像中的亚波长分辨率？
• RQ2 SSPs与行波照明的结合如何在超越传统SIM的基础上扩展有效空间频率带宽？
• RQ3 通过调节SSPs的工作频率，分辨率可提升至何种程度？
• RQ4 所提出的方法能否基于散射强度差异区分具有不同相对介电常数的样品？
• RQ5 当样品几何形状和介电特性发生变化时，成像重建算法的鲁棒性如何？

主要发现

• 所提方法实现了0.12λ₀的亚波长分辨率，经阿贝与瑞利衍射判据双重验证。
• 通过调节仿生表面等离子体（SSPs）的工作频率，分辨率可进一步提升，表明其具备可调性能。
• 该方法成功重建了间距为0.225λ₀的两个相同样品，证实其具备亚波长分辨率能力。
• 成像系统可根据散射强度差异区分不同相对介电常数的样品，如ε = 2.5与ε = 4.5。
• 成功重建了三组间距分别为0.25λ₀与0.45λ₀的样品，证实该方法具备多目标成像能力。
• 通过仿真验证，该方法在样品高度、宽度及介电常数等参数变化下均表现出良好鲁棒性。