近日，我实验室张斗国教授研究组提出并实现了一种基于光学薄膜的平面型显微成像元件，用作被测样本的载波片，可在常规的明场光学显微镜上实现暗场显微成像和全内反射成像，而获取高对比度的光学显微图像。研究成果以“Planar photonic chips with tailored angular transmission for high-contrast-imaging devices”为题发表在综合性学术期刊Nature Communications。
光学显微镜是利用光学原理，把人眼不能分辨的微小物体放大成像，进而拓宽人类观察物质结构的空间尺度范围。通用的光学显微镜是明视场显微镜（Brightfield Microscopy），它利用光线照明，样本中各点依其光吸收的不同在明亮的背景中成像。但对于一些未经染色处理的生物标本或者其他透明样本，由于对光线的吸收很少，因此其明视场显微镜像的对比度差，难以观测。为了解决这个问题，科学家们发展出暗视场显微镜（Darkfield Microscopy）：它的照明光线不直接进入成像物镜，只允许被样品反射和衍射的光线进入物镜。无样品时，视场暗黑，不可能观察到任何物体；有样品时，样品的衍射光与散射光等在暗的背景中明亮可见，因此其成像对比度远高于明场光学显微镜，如图1a所示。另外一个解决方案是，利用光线全反射后在介质另一面产生衰失波（又称表面波）来照明样品，无样本时，衰失波光强在纵向呈指数衰减的特性使得其不会辐射到远场，视场暗黑；有样品时候，衰失波会被散射或衍射到远场，从而在暗背景下形成物体的明亮像，该显微镜被称为全内反射显微镜（Total internal reflection microscopy, TIRM）,同样可以提高成像对比度。衰失波光强在纵向呈指数衰减的特性，只有极靠近全反射面的样本区域会被照明，大大降低了背景光噪声干扰观测标本，故此项技术广泛应用于物质表面或界面的动态观察，如图1b所示。
但这两种显微镜都需要复杂的光学元件，如暗场显微镜需要一个特殊的聚光镜来实现照明光以大角度入射到样品；全内反射显微镜需要高折射率棱镜或高数值孔径显微物镜来产生光学表面波；这些元件体积较大，不易集成；同时成像效果严格依赖于光路的精确调节，增加了其操作复杂度。
本论文提出的基于光学薄膜的平面型显微成像元件可有效弥补这些不足。如图1c所示为该元件结构示意图，主要包含三部分：中间部分是掺杂有高折射率散射纳米颗粒的聚合物薄膜，利用纳米颗粒的无序散射来拓展入射光束的传播角度范围；上部和下部是由高低折射率介质周期性排布形成的光学薄膜，利用其来调控出射光束的角度范围。通过光子带隙设计，下部光学薄膜只允许垂直入射的光束透过，其他角度光束的都被抑制；上部光学薄膜在750 nm波长入射下，只有大角度的光束才能透射；在640 nm波长下任何角度的光都不能透射，只能产生全内反射。
因此，在正入射下，经过该光学薄膜器件的光束出射角度要么是大于一定的角度（对应750 nm波长），要么是在薄膜表面产生光学表面波（对应640 nm 波长）。利用一块光学薄膜器件，在常规的明场显微镜上（图2a），可同时实现暗场显微成像与全内反射成像。成像效果如图2b，2c所示，相对于明场光学显微镜像，其成像对比度有大幅度的提升。该种方法不仅适用于空气中的样品，也适用于液体环境中生物活细胞的成像，如图2d所示。
进一步实验结果表明，该方法不仅可以实现介质薄膜上的表面波，也可用于激发目前引起广泛兴趣的金属薄膜表面等离激元，如图3所示，利用其作为照明光源，实现了一种新的表面等离激元共振显微镜架构，相对于目前广泛使用的基于油浸物镜的表面等离激元共振显微镜，基于光学薄膜器件的表面等离激元显微镜结构简单，成本低、操作便利，易于集成。
上述实验结果表明，无需改变现有显微镜的主体光路架构，通过设计、制作合适的显微镜载玻片，就可以有效提升其成像对比度，拓展其成像功能。
本校博士生蒯雁同学为该论文第一作者，张斗国教授为通讯作者。上述研究工作得到了国家自然科学基金委、安徽省科技厅、合肥市科技局、唐仲英基金会等项目经费的支持。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。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-27231
（安徽省光电子科学与技术重点实验室、物理学院、科研部）