反射式手性全息成像

手性是一种有趣的几何概念，指物体不能通过平移、旋转和缩放等变换与其镜像重合的特性，其应用范围涉及光学、生物学、化学、医药和生命科学等领域。在光学领域，当手性介质被不同旋向的圆极化光激发时，表现出不同的手性光学效应：当左旋圆极化 (LCP) 光和右旋圆极化 (RCP) 光经过手性介质后的透射率或反射率不同，从而显示出圆二色性（Circular dichroism, CD)；若这两种光在手性介质中的折射率不同，导致透射光相比于入射光的偏振面发生旋转，则显示出旋光性（Optical activity, OA）。尽管光学手性在自然界中无处不在，但天然材料中的手性响应极其微弱，且难以灵活控制，这严重阻碍了极化相关器件的微型化和集成化应用。由于具有比自然材料高几个数量级的手性光学响应，由人工设计的亚波长单元结构阵列构成的手性超材料/超表面为实现可控手性光学响应提供了一条途径。然而，尽管常见多层手性超表面具有很强的本征光学手性，但其设计过程相对复杂，且加工所需的多步光刻工艺存在技术要求和加工成本高的问题。近日，西安交通大学张留洋老师课题组提出了一种反射式手性超表面的简单、通用的设计方法及其低成本、无光刻的制备策略，该工作与深圳大学范殊婷老师课题组合作完成。通过结合新型微立体光刻技术实现了手性超表面的3D打印，实验测试结果验证了手性响应机理的准确性相关成果以“Chiral Metasurfaces with Maximum Circular Dichroism Enabled by Out-of-Plane Plasmonic System”为题发表于国际期刊Laser & Photonics Reviews上, 影响因子10.9。 图1. 反射式手性超表面通用设计流程示意图对于任意的谐振器，跟随提出的通用设计流程，仅需简单两步即可打破其n重旋转对称性（n 1）和镜像对称性，从而获得一个具有面外形态的反射式手性超表面。以工作于太赫兹频段的U型手性超表面为例，其圆极化反射谱和圆二色性谱如图2所示。不同的面外形态方向，可获得具有相反手性响应的对映体A和B。 图2. 基于U型共振器的太赫兹手性超表面及其手性响应通过调控超表面的偏置高度可实现对其损耗的调控，根据耦合模理论可知，当其辐射损耗等于耗散损耗时，此时一种圆极化波被近完美的选择性吸收，而另一种圆极化波被非共振地反射，从而可获得最强的圆二色性值(图3(d))。 图3. U型太赫兹手性超表面圆极化反射谱和圆二色性谱通过结合微尺度3D打印技术，提出的手性超表面可由简单的三步工艺制备得到。其中，周期性阵列的面外形态结构采用面投影微立体光刻3D打印技术（nanoArch S130，摩方精密）加工得到。实验结果表明：得益于高精度的微尺度3D打印技术，加工得到的手性超表面具有良好的表面质量和形状精度，测试所得的太赫兹反射谱与圆二色性谱与数值模拟结果较为吻合。 图4. 太赫兹手性超表面制造策略及表征结果 图5. 太赫兹手性超表面实验验证

平行光管是用于模拟放置在“光学无限远”（非常长距离）的标准目标的光学系统。 平行光管用于将参考目标的图像投影到测试相机的方向上。 根据设计中使用的光学元件的类型，平行光管分为两组：反射式平行光管和透射式平行光管。 反射式平行光管由于其宽光谱范围不仅可以专业用于测试红外热成像仪的系统，并且可以用于测试电视相机，SWIR相机，激光系统或多传感器系统。 透射式平行光管主要用于测试夜视装置或在可见/近红外范围内工作的电视相机的系统。从光学设计者的角度出发，反射式平行光管可以看作为倒置的望远镜。因此根据反射镜的配置而有许多类型的反射式平行光管类型（牛顿，卡塞格林，史瓦兹等）。然而，实际上大部分反射式平行光管的典型结构为牛顿型设计（大抛物面镜与准直镜以及小平面镜），另外，反射式平行光管可以分为以下两个基本类型：离轴反射式平行光管与轴上式平行光管。离轴反射式平行光管提供了无阻碍的口径因为次反射镜安装于平行光管口径之外（如图2所示）。然而，离轴反射式平行光管的生产成本比轴上反射式平行光管要高。低成本的对称抛物面反射镜用于设计轴上反射式平行光管。离轴反射式平行光管需要非对称反射镜（一面更大的母对称镜的部分），另外，离轴反射式平行光管的校准工作比轴上反射式平行光管要困难很多。Inframet生产一系列的CDT离轴反射式平行光管，可以作为Inframet公司设计生产的测试系统的模块或者作为单独的光学模块。图1.一组不同口径及焦距的CDT平行光管图2.离轴反射式平行光管光路原理轴上式平行光管基于次反射镜的设计而导致在光学口径中心区域有坏区域的存在，这个特征使得轴上式平行光管对于测试大口径光学系统的相机存在着很大的局限性，且轴上式平行光管的中心坏区域会导致被测试的相机只有部分工作以及影响了测试精度。然而，这些平行光管在轴对准测试系统中是完全可接受的，或者当平行光管的口径足够大时，则中心坏区域不会与被测试相机的光学系统重合。Inframet设计生产的CJT平行光管以及用于JT轴对准测试系统以及用于MIS测试系统用于测试多传感器监控系统。图3. CJT20100平行光管图4.轴上式平行光管光路原理与离轴抛物面镜相比来讲轴上抛物面镜的制造更容易。 轴上抛物面镜的市场比离轴抛物面镜的市场宽得多。 因此，高质量离轴抛物面镜的价格远高于具有类似制造精度的轴上抛物面镜的价格（不包括低成本且低质量的铝离轴镜）。 CDT平行光管使用昂贵的超高精度玻璃研磨技术制造，适合于产生高质量的图像。 这些不是由低成本铝铸造/研磨镜制成的平行光管，仅适用于要求较低的应用。 a) b) c) 图5.使用不同CDT离轴平行光管构建的Inframet测试系统的照片： 用于测试红外热像仪的系统a）DT150，b）DT110，c）DT400Inframet典型提供的平行光管为垂直方向配置的测试系统（黑体，靶轮以及靶标与平行光管配置为垂直方向）基于更好的热稳定性（对于测试高端科研型红外热像仪是重要的）。然而，Inframet也可以提供水平方向配置的测试系统（黑体，靶标和靶标配置为水平方向）。典型的离轴式平行光管的口径可以到300mm，根据需要可以扩展到500mm。

这两年，拉曼光谱仪一直吸引着业内人士的眼球，各大仪器厂商不断在新产品、新技术、新应用等方面推陈出新，精心布局，不仅如此，新迈入此领域的仪器厂商也层出不穷，可谓热闹非凡。　　拉曼光谱如此的蓬勃发展给广大用户提供了更多可选择的空间，那么，当前有哪些主流企业/主流产品?有哪些最新的技术/应用?哪款仪器更适合用户自己的研究工作?　　仪器信息网：贵公司拉曼光谱仪的定位?　　昊量光电：Nanobase拉曼成像光谱仪专注于拉曼成像，尤其是快速mapping领域，产品不单可用于拉曼成像，还可以实现PL，EL，光电流mapping等多种成像模式。　　Nanobase拉曼成像光谱仪不但可提供高性价比解决方案，模块化的设计易于使用和维护，节省客户的的学习成本，也可根据客户具体需求扩展和定制，满足不同客户群体的需求。　　仪器信息网：请回顾贵公司拉曼光谱仪的研发及技术进展历史，贵公司在拉曼光谱仪器方面有哪些优势/专利技术?　　昊量光电：韩国Nanobase公司致力于研发和生产各种外腔式可调谐半导体激光器及高性能光谱仪。　　Nanobase公司成立于2008年，公司技术出自MIT麻省理工大学电子实验室；　　2009年Nanobase推出可调谐半导体激光和光谱仪；　　2010年和2011年连续推出用于LED测试和光学相干断层扫描光谱仪；　　2012年推出便携式拉曼光谱仪XperRam Potable；　　2013年推出XperRam 200共聚焦激光拉曼扫描成像系统；　　2014年推出XperRam Compact紧凑型共聚焦拉曼光谱系统。　　上海昊量光电设备有限公司自2008年起便是Nanobase在国内的独家代理，负责Nanobase公司产品的销售和技术服务。　　和其他拉曼光谱仪相比，Nanobase拉曼成像光谱系统主要具有以下两大优势：　　1，独特的激光扫描系统　　拉曼光谱系统多采用平台位移的方式实现扫描成像，这种方式成像速度慢，精度较低，位移平台也无法放置大体积、大重量的样品。Nanobase公司的拉曼光谱系统则采用独特的激光扫描的方式，位移平台保持不动，通过振镜调节激光聚焦的位置完成扫描成像，比起传统的平台位移方式具有扫描速度快，扫描精度高，扫描范围大的特点。　　2，VPHG体相全息光栅　　传统拉曼光谱仪多采用反射式光栅分光，Nanobase公司的拉曼光谱仪则采用VPHG透射式体相全息光栅分光，体相全息Volume Phase Holographic (VPHG) 衍射光栅技术的光谱仪相对于传统的刻划光栅，具有颜色效率高，受偏振影响小的特点，同时牢固耐用，是理想的高端光谱和光通讯仪器，其透过率高达90%，比传统的反射式光栅大30%。　　仪器信息网：贵公司当前拉曼光谱仪的主流产品和主流技术?贵公司有什么样的产品发展计划?　　昊量光电:Nanobase激光拉曼成像扫描光谱系统具有以下技术特点：　　1、独特的激光扫描技术，具有优异的扫描精度和重复性　　激光扫描分辨率90%，比反射式光栅高30%，信号传输效率更高　　3、 具有Raman/PL/EL/光电流等多种测量模式　　4、扫描速度快，扫描范围大　　200µm x 200µm范围内高速成像 & 2D Mapping (x40 objective)　　目前产品主要是两款共聚焦激光拉曼成像光谱仪(XperRam 200和XperRam Compact)和一款便携式拉曼光谱仪(XperRam Portable)，　　XperRam 200可配备多个激光器，具备拉曼，PL，EL，光电流多种测量模式，易于扩展和定制。　　XperRam Compact只配备532nm激光器，具有拉曼，PL和光电流三种测量模式，结构紧凑，具有相当高的性价比。　　仪器信息网：目前贵公司拉曼光谱仪重点关注的应用领域有哪些?最看好哪个领域?主推的解决方案?　　昊量光电:目前Nanobase的重点应用于材料领域。　　主推的解决方案，拉曼光谱在二维材料方面的应用(二硫化钼mapping)　　如下图(a)所示，单层二硫化钼的拉曼光谱如下图红线所示，E12g and A1g 两个振动模式分别在380.4 and 406.2 cm-1。多层二硫化钼的拉曼光谱如下图黑线所示，E12g 和A1g 两个振动模式分别在382.3 and 402.9 cm-1 。可见单层二硫化钼和多层二硫化钼的振动模式有显著不同。　　下图(b)是对E12g的拉曼光谱成像，(c)是对A1g的拉曼光谱成像，图中不同的颜色对应E12g 和A1g不同的峰值，从(b)(c)两图可以明显看出二硫化钼在成像范围的不同分布，可见拉曼光谱mapping可以作为二维材料分析的有力工具。　　仪器信息网：从整个行业来分析，目前拉曼光谱仪都有哪些先进的技术值得大家期待?同时有哪些问题亟待解决?未来拉曼光谱仪的技术发展趋势?　　昊量光电：拉曼光谱经历了单束激光激发、通过移动位移平台扫描、通过振镜直接控制光束扫描、甚至还有将激光扩束整形成大面积匀化光斑直接进行拉曼成像的技术，这些技术的进步会使得拉曼mapping的速度和精度越来越高。　　由于激光拉曼光谱成像系统涉及到显微成像、激光光谱、机械扫描等多种技术，普遍使用较复杂，学习成本较高，并且价格昂贵，不利于拉曼光谱仪的普及，我们认为未来的拉曼光谱成像系统会朝着简化操作，降低使用和维护成本的方向发展。　　仪器信息网：预测未来拉曼光谱仪的市场发展潜力(包括应用方向、方法标准、政策法规等)?　　昊量光电：未来拉曼光谱仪的市场稳定增长率将达到10%以上，拉曼成像设备的主要的应用领域以材料科学，半导体，生物医药为主。　　Nanobase和上海昊量光电设备有限公司对拉曼光谱设备在中国市场十分看好，并对此寄予了厚望，在国内销售我们刚刚开展业务就已经有几个客户购买，还有很多客户感兴趣并在进一步的咨询了解中。我们会持续投入大量资源进行产品的宣传和推广，近期还派技术人员、工程师等赴韩学习，力争给客户带来最好的体验，不但让我们的客户买到性价比最高的产品而且也让客户感受到我们专业的技术支持和完善的售后服务，从而进一步扩大市场份额。内容来源于：上海昊量光电设备有限公司）