纳米结构化光场的新测量方法:将纳米光学与有机化学结合起来!

IntelligentThin 2019-09-21 15:04
导读

据德国明斯特大学官网近日报道,该校研究人员成功开发出一项纳米层析成像技术,它能够检测到透镜聚集处纳米结构场的一般不可见特性,而无需任何复杂的分析算法或者数据后期处理。


背景


与普通光源相比,激光具有单色性好,亮度高,方向性好等优势,因此也称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”,是20世纪人类的重大发明之一。


各种色彩的激光(图片来源:维基百科)


如今,“结构化的激光”已经开辟了各种不同的应用领域。它不仅可以带来精准的材料加工、捕获、操控,还可以定义小型粒子或者细胞间隔的运动,以及增加新一代智能计算的带宽。


如果这些光结构通过透镜紧密聚焦,就像将放大镜用作取火镜高度集中的三维光景观将形成一定形状,在某些特定应用中促使分辨率显著提升。这些光景观为获得诺贝尔奖的开拓性应用“受激发射损耗显微术(STED microscopy)铺平了道路。


然而,因为紧密聚焦形成的成分对于普通测量技术来说是不可见的,所以这些纳米场本身还是无法测量的。迄今为止,缺乏适当的计量方法,阻碍了纳米结构化光景观取得突破并成为材料加工、光学镊子(可用于捕获粒子、原子、病毒和其他活细胞或者高分辨率成像的一种工具。


光学镊子示意图与系统模型(图片来源:参考资料【1】)


创新


近日,德国明斯特大学应用物理研究所教授、物理学家 Cornelia Denz 博士和软纳米科学中心教授、化学家 Bart Jan Ravoo 博士成功开发出一项纳米层析成像技术,它能够检测到透镜聚焦处纳米结构场的一般不可见特性,而无需任何复杂的分析算法或者数据后期处理。


有机单分子层放置在聚焦的光场中,并响应这种荧光照射,嵌入关于不可见特性的所有信息。(图片来源:Pascal Runde)


这项研究已经发表在《自然通讯(Nature Communications)》上。


技术


为此,团队将他们在纳米光学与有机化学领域的知识结合起来,实现了一种基于有机分子单层的方案。这个单分子层被放置在聚焦的光场中,并对荧光照射作出响应,嵌入所有关于不可见特性的信息。


检测非傍轴光场的概念(图片来源:参考资料【2】)


通过紧密聚焦的定制矢量场实现的定制非傍轴光场的数值。(图片来源:参考资料【2】)

由非傍轴光激发的SAM荧光(图片来源:参考资料【2】)



傍轴光场的SAM荧光的数值计算(图片来源:参考资料【2】)


通过荧光SAM检测非傍轴光场(图片来源:参考资料【2】)


价值


通过检测这种响应,用快速直观的单张相机图像来识别纳米光场将成为可能。这项研究的领导者 Cornelia Denz 表示:“这个方案最终发掘出迄今为止一直未经开发的纳米结构化光景观在更多场景中的应用潜力。”


关键字


纳米、激光、有机


参考资料


【1】Robert M. Pettit, Wenchao Ge, P. Kumar, Danika R. Luntz-Martin, Justin T. Schultz, Levi P. Neukirch, M. Bhattacharya, A. Nick Vamivakas. An optical tweezer phonon laser. Nature Photonics, 2019; DOI: 10.1038/s41566-019-0395-5
【2】Eileen Otte, Kemal Tekce, Sebastian Lamping, Bart Jan Ravoo, Cornelia Denz. Polarization nano-tomography of tightly focused light landscapes by self-assembled monolayers. Nature Communications, 2019; 10 (1) DOI: 10.1038/s41467-019-12127-3

【3】https://www.uni-muenster.de/news/view.php?cmdid=10530




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