科学报告：基于径向偏振光的亚波长纳米粒子检测与定位技术

作者及发表信息

本文的主要作者为S. Roy, K. Ushakova, Q. Van Den Berg, S. F. Pereira和H. P. Urbach，所属机构为荷兰德尔夫特理工大学（Delft University of Technology）成像物理学系（Department of Imaging Physics），研究于2015年3月12日发表在《Physical Review Letters》（DOI: 10.1103/PhysRevLett.114.103903）期刊上。

研究背景与目的

本研究属于光学领域，特别是亚波长尺度的纳米粒子（nanoparticle）检测与定位技术。亚波长纳米粒子检测在生物显微镜、生物医学、纳米制造和表面科学等诸多领域具有重要应用。然而，现有的高分辨成像技术，如扫描电子显微镜和超分辨显微技术，虽然能够提供高精度检测，但在实际应用中往往不实用，尤其是在高速生产环境中进行大面积检测时。这就产生了对一种非侵入式、快速且高精度的检测技术的需求，以便在制程之前评估基底的污染程度并定位关键位置的污染物。

研究方法与技术流程

本文提出了一种利用径向偏振光（radially polarized light）的散射技术来同时检测和高精度定位亚波长纳米粒子的方法。研究流程如下：

1. 光学模型与实验装置：

   • 基于卡氏坐标系（Cartesian Coordinates）建立光学模型，利用电偶极子辐射理论（electric dipole radiation theory）描述散射场。
   • 制备样品：在抛光后的硅片上沉积直径为95±7 nm的聚苯乙烯乳胶球。
   • 实验装置包括波长为405 nm的激光二极管、两个Glan-Laser棱镜偏振器、Holoeye LC-R2500空间光调制器（SLM）和其他光学器件，通过SLM实现环形光束，然后通过生成的径向偏振光聚焦在样品上。
   • 反射光束通过偏振束分离器和反射镜分成两束不同线偏振方向的光，并记录在相同CCD相机上。

2. 散射场与反射场的相互作用：

   • 当粒子被聚焦的径向偏振光（radially polarized wave）激发时，会产生纯径向偏振的散射场，同时存在一个径向偏振的虚假反射场。整个系统在不同方向检测信号并进行差分处理。

3. 差分信号分析：

   • 通过对焦面内粒子的位移造成的散射场变化获取差分信号。
   • 采集到的强度数据提供了x和y两个方向的信息，通过检测左右（LR）信号和上下（TB）信号的差异来定位粒子。
   • 使用有限元法（FEM）模拟模型验证实验结果，比对差分强度信号随着位移的线性关系。

研究结果

1. 信号与灵敏度：

   • 实验数据表明，当采用环形光束光阑进行径向偏振照明时，相比于全光阑照明，信号强度明显增加，说明环形光阑能够更有效地检测粒子。
   • 实验结果还显示，环形光阑照明下的信号斜率更大，意味着该方法具有更高的灵敏度。

2. 定位精度：

   • 实验结果表明，亚波长粒子的定位精度可以达到≈10^−4λ^2，对于面积为λ^2/16的粒子，定位不确定性小于7.7 × 3 nm^2，和荧光分子跟踪精度在一个数量级。
   • 特殊的噪声控制可以进一步降低噪声水平，提高定位精度至2 × 2 nm^2。

研究结论和意义

本研究提出了一种利用径向偏振光的非侵入式、高灵敏度的方法，能够在高速生产环境中有效检测和定位基底上的亚波长粒子。该方法具备以下优点：

1. 快速非侵入式检测：

   • 与现有高分辨显微技术相比，该方法配置简单、快速非侵入式，非常适合用于大面积基底检测。
   • 可利用差分检测器实现高速检测，类似于商业化的光盘读取技术。

2. 高精度定位：

   • 该方法在两种正交方向上能够独立实现高精度定位，有效解决了基底污染评估的难题。
   • 通过优化光孔和基底材料，可进一步提高检测和定位精度。

研究亮点

本研究的亮点包括： 1. 创新地利用径向偏振光与散射场的相互作用，实现了非侵入式的亚波长粒子检测。 2. 提出了环形光束照明能够显著提高信号灵敏度的方法，为快速高精度定位奠定了基础。

未来改进与应用前景

未来，可以通过优化光孔形状、选择合适的基底材料，以及在噪声控制方面的改进，进一步提高检测设备的性能。此外，该技术在纳米制造、表面科学、和高通量生物检测等多个领域具有广泛应用潜力，特别是适用于高效生产环境中的大面积基底污染检测。

总之，本研究不仅在学术上开创了新的粒子检测与定位思路，也为实际生产提供了一个可行的高效解决方案。