近日，中国科学技术大学物理学院张斗国教授课题组，在国际学术期刊《自然·通讯》上发表了题为“Large field-of-view plasmonic scattering imaging and sensing of nanoparticles with isotropic point-spread-function”的技术研究型论文。该研究依托微纳光学的光场调控技术，提出了一种基于一维光子晶体和贵金属薄膜的全方向表面等离激元照明器件。

研究团队利用一维光子晶体的动量空间调控特性，精准调控照明光的透射角度，并利用这一特性来全方向激发贵金属薄膜负载的表面等离子体波。利用该全方向表面等离子体波做为近场照明光源，研究人员成功实现宽视场、高对比度以及高灵敏度的单颗粒探测成像。该单颗粒探测成像技术不需要复杂的光学系统对准，其结构紧凑，体积小易于集成化，可直接兼容到传统明场显微镜或便携式、集成化的成像系统上。该器件的提出使得表面等离子体散射光学显微镜摆脱了对高数值孔径油浸物镜或高折射率棱镜等体积庞大光学元件的依赖，将进一步推广表面等离子体散射光学成像技术在物理、材料以及大气科学等领域的应用。

论文中，张斗国教授课题组与浙江大学刘旭教授、上海理工大学詹其文教授合作，将一维光子晶体、贵金属薄膜、纳米颗粒掺杂聚合物薄膜等微纳结构组成的光子器件集成到常规LED照明光源上，实现了全方向表面等离子体波的激发。该光子器件的架构与设计原理如图1a所示。研究人员利用数值仿真与单颗粒成像实验验证了全方向表面等离子体波照明成像系统具有更加对称的点扩散函数（图1b）。进一步，在实验上通过对不同粒径颗粒的散射光强度进行统计，验证了该全方向表面等离激元照明器件在纳米颗粒并行探测方面具有更高的灵敏度，如图所示1c所示。另外，得益于一维光子晶体和贵金属薄膜的平面化特性，该照明器件可以实现厘米级别的宽视场全方向表面等离子体波照明，其成像视场面积远大于基于油浸物镜的表面等离子体散射光学显微镜，且成像系统架构简洁与稳定。

图1 全方向表面等离子体波照明器件架构示意图及其单颗粒探测特性

在该成像技术应用上，张斗国教授课题组与安徽光机所刘建国研究员、桂华侨研究员、解智博博士合作，利用该技术实现了对粒径约为50nm的单个气溶胶颗粒吸湿性的实时、无损检测（如图2a和b所示），有效解决现有大气气溶胶测量手段存在的多颗粒平均测量、操作复杂，系统稳定性差等问题，为揭示气溶胶颗粒的物理和化学特性开辟了一种创新性的测量手段。与中国科大化学与材料科学学院邹纲教授、张红莉博士后合作，利用该成像技术实现了对边长约10nm的钙钛矿纳米颗粒在离子交换过程中的监测与成像，如图2c-e所示。

图2 全方向表面等离子体波成像技术应用于大气颗粒物吸湿增长测量和钙钛矿纳米颗粒化学反应监测

为了展示该全方向表面等离子体波照明器件的高集成化、便携型和宽视场照明特性，研究人员还将全方向表面等离子体波照明器件、智能手机、透镜组合成便携式光学成像系统，实现了纳米颗粒、纳米线等微纳物体的宽视场成像，如图3所示。

图3便携式全方向表面等离子体波照明成像系统及其成像效果

该工作中，中国科学技术大学物理学院博士生尤新祥、范泽滔为本论文共同第一作者，物理学院硕士李成恩也参与了该项研究。该研究工作得到了科技部、国家自然科学基金委项目经费的支持。相关样品制作工艺得到了中国科学技术大学微纳研究与制造中心的仪器支持与技术支撑。