1、熒光標(biāo)記和檢測(cè)技術(shù)由于其高靈敏度一直以來(lái)是生命科學(xué)領(lǐng)域最廣泛使用的研究手段之一。近年來(lái)多種超分辨熒光成像方法的提出，例如受激輻射損耗技術(shù)、光激活定位顯微技術(shù)等，更是將熒光技術(shù)在超分辨成像上的應(yīng)用發(fā)揮到極致。為了得到更強(qiáng)的熒光信號(hào)，多種功能性熒光光子器件被設(shè)計(jì)制造以提高熒光基團(tuán)的激發(fā)和收集效率，包括光學(xué)天線結(jié)構(gòu)和多層膜功能基底。這些熒光光子結(jié)構(gòu)多為通過(guò)熒光基團(tuán)與結(jié)構(gòu)上近場(chǎng)光學(xué)模式的相互作用來(lái)調(diào)控?zé)晒饣鶊F(tuán)的輻射光場(chǎng)參量，包括輻射方向、強(qiáng)度、

2、偏振、波長(zhǎng)等。本論文主要研究多層膜功能基底特別是金屬介質(zhì)平板波導(dǎo)基底與共焦掃描成像系統(tǒng)、泄露輻射顯微成像系統(tǒng)相結(jié)合后產(chǎn)生的熒光出射的新現(xiàn)象，包括高耦合效率的共焦熒光成像以及熒光無(wú)衍射貝塞爾光束的生成，并基于這兩套成像系統(tǒng)發(fā)展出兩種新型的熒光探測(cè)手段，分別是準(zhǔn)近場(chǎng)共焦熒光探測(cè)和泄露輻射離焦熒光探測(cè)。這些研究對(duì)利用功能性熒光光子器件實(shí)現(xiàn)熒光成像、熒光光束整形等具有啟發(fā)意義，并為新型功能性熒光光子器件的設(shè)計(jì)和表征提供了新的思路和手段。

3、　　本論文的主要研究工作如下:
　　1.實(shí)驗(yàn)研究了金屬介質(zhì)平板波導(dǎo)結(jié)構(gòu)上導(dǎo)波模式激發(fā)的偏振依賴(lài)特性，通過(guò)棱鏡耦合柱對(duì)稱(chēng)偏振光束激發(fā)結(jié)構(gòu)上的波導(dǎo)模式，該柱對(duì)稱(chēng)偏振光束由液晶偏振轉(zhuǎn)換器生成，其可以通過(guò)改變加載的電壓實(shí)現(xiàn)出射光偏振從徑向到切向的連續(xù)變化，從而動(dòng)態(tài)調(diào)控結(jié)構(gòu)上導(dǎo)波模式的場(chǎng)分布。通過(guò)光刻膠記錄了金屬介質(zhì)平板波導(dǎo)上導(dǎo)波模式的干涉圖樣，從而實(shí)現(xiàn)了其上模式傳播參數(shù)的直接測(cè)量。為了研究該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)作為共焦熒光成像基底的可能性，我們理論分

4、析了該結(jié)構(gòu)上導(dǎo)波模式的聚焦特性，得出橫磁模具有空間尺度更小的場(chǎng)聚焦焦斑的結(jié)論。通過(guò)物鏡后焦面成像的手段，實(shí)現(xiàn)了波導(dǎo)上橫磁模的選擇激發(fā)和聚焦，并用該聚焦場(chǎng)進(jìn)行共焦掃描成像，實(shí)現(xiàn)了高耦合效率的共焦熒光像。
　　2.實(shí)驗(yàn)研究了共焦掃描成像對(duì)金屬介質(zhì)平板波導(dǎo)準(zhǔn)近場(chǎng)耦合熒光光場(chǎng)的表征。實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)了兩種金屬介質(zhì)平板波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，一種為薄介質(zhì)層，支持單一的表面等離子體模式;另一種為厚介質(zhì)層，可支持多個(gè)導(dǎo)波模式。通過(guò)共焦掃描成像，測(cè)量了波導(dǎo)結(jié)構(gòu)下層幾

5、十微米范圍內(nèi)的場(chǎng)切片像。這些場(chǎng)切片像顯示這種方法在具有高角度分辨率的同時(shí)，還可以觀測(cè)到結(jié)構(gòu)上表面非耦合區(qū)熒光基團(tuán)所發(fā)熒光的直接透射以及結(jié)構(gòu)準(zhǔn)近場(chǎng)范圍內(nèi)多模耦合出射的模式重疊等一些無(wú)法被傳統(tǒng)的遠(yuǎn)場(chǎng)表征手段（例如后焦面成像）呈現(xiàn)的現(xiàn)象。所得的場(chǎng)分布結(jié)構(gòu)被基于時(shí)域有限元差分法模擬的場(chǎng)分布所證實(shí)。這種準(zhǔn)近場(chǎng)的探測(cè)手段彌補(bǔ)了遠(yuǎn)場(chǎng)探測(cè)手段的不足，為新型熒光光子器件的設(shè)計(jì)和表征提供了新的手段。
　　3.提出了基于泄露輻射顯微系統(tǒng)的離焦成像的概念

6、。這里的離焦包括物鏡離焦和探測(cè)器離焦。物鏡離焦是指通過(guò)物鏡遠(yuǎn)離熒光耦合結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)基底層內(nèi)耦合熒光出射場(chǎng)場(chǎng)分布的成像。實(shí)驗(yàn)中，我們測(cè)量了最常用的玻璃基片和四種多層膜熒光光子器件的物鏡離焦像，分別是表面等離子體結(jié)構(gòu)、多模金屬介質(zhì)平板波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、一維光子晶體結(jié)構(gòu)以及Tamm結(jié)構(gòu)，得到了這些結(jié)構(gòu)下層幾十微米范圍內(nèi)的熒光出射場(chǎng)分布。探測(cè)器離焦是指通過(guò)成像探測(cè)器在系統(tǒng)前焦面像到后焦面像之間的移動(dòng)來(lái)探測(cè)熒光像的變化，其可以實(shí)現(xiàn)樣品實(shí)空間分布與其頻譜

7、信息的一對(duì)應(yīng)。通過(guò)該對(duì)應(yīng)關(guān)系，我們實(shí)現(xiàn)了表面等離子體基底上納米量級(jí)介質(zhì)膜厚的并行測(cè)量。
　　4.通過(guò)利用表面等離子體耦合熒光出射的波矢分布與貝塞爾光束波矢分布的相似性，我們通過(guò)泄露輻射4f成像系統(tǒng)對(duì)出射光場(chǎng)進(jìn)行了變換，并成功生成了熒光貝塞爾光束。所生成的無(wú)衍射光束為1階徑向貝塞爾光束，其可以通過(guò)往光路中插入螺旋位相片的方式，轉(zhuǎn)變?yōu)橹靼陮挾雀〉?階貝塞爾光束。由于結(jié)構(gòu)上每一個(gè)獨(dú)立的熒光基團(tuán)都可以生成一個(gè)獨(dú)立的貝塞爾光束，這種方法可

8、以實(shí)現(xiàn)多個(gè)無(wú)衍射熒光光束的同時(shí)生成。
　　本論文的創(chuàng)新點(diǎn)主要包括:
　　1.成功地將新型的多模金屬介質(zhì)平板波導(dǎo)結(jié)構(gòu)應(yīng)用到共焦掃描熒光成像中，并實(shí)現(xiàn)了比表面等離子體結(jié)構(gòu)基底強(qiáng)三倍的共焦熒光像。通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)中橫磁模的選擇激發(fā)和聚焦，使得在得到高耦合效率熒光像的同時(shí)，保持了共焦成像系統(tǒng)的分辨率。這里所用的金屬介質(zhì)平板波導(dǎo)基底由于其厚介質(zhì)層，可以有效規(guī)避金屬的淬滅效應(yīng)，從而使得其上熒光基團(tuán)具有更長(zhǎng)的有效發(fā)光時(shí)間。
　　2.提出了

9、基于泄露輻射顯微系統(tǒng)的離焦熒光成像的概念。該離焦像可以直接反應(yīng)耦合結(jié)構(gòu)下層微米區(qū)域內(nèi)的熒光場(chǎng)耦合情況。其中，探測(cè)器離焦所得離焦像，可以構(gòu)建樣品實(shí)空間像面與后焦面傅里葉信息的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而可以實(shí)現(xiàn)光學(xué)參數(shù)，例如薄膜厚度、折射率等的并行探測(cè)。這里我們以薄膜厚度為例，實(shí)現(xiàn)了四個(gè)厚度差別在10nm左右的薄膜膜厚的精確測(cè)量。
　　3.實(shí)現(xiàn)了將通常理解的非相干的熒光光束整形為無(wú)衍射的貝塞爾光束，所生成的光束可以保持其無(wú)衍射傳播特性超過(guò)100毫