陳漪愷，孔卓冉，孫文杰，張宏超，朱時軍，沈中華，陸 健

（南京理工大學(xué) 理學(xué)院，江蘇 南京 210094）

金屬-光子晶體復(fù)合波導(dǎo)結(jié)構(gòu)對表面波的調(diào)控具有豐富的自由度，已經(jīng)成為集成光子功能器件的核心元件之一，基于此類功能器件的研究在過去十年間引起了人們的廣泛關(guān)注[1-5]。復(fù)合波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)計擴展了基于復(fù)合結(jié)構(gòu)器件在光譜分析[6-7]、手性轉(zhuǎn)換[8-9]、分子探測[10-12]和光鑷操控[13-14]等光學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。復(fù)合波導(dǎo)結(jié)構(gòu)可以支持多模共存，且模式分布具有高度的空間局域性，是傳感、成像、以及超表面器件中的關(guān)鍵元素[1,15-18]，在高通量檢測中也可以確保高效率收集和高靈敏探測[19-22]。結(jié)合光柵、棱鏡、顯微鏡等表征手段，近場的諸多光行為都可以在遠(yuǎn)場得到觀測[17,23-27]。通常，這類間接的表征手段都需要額外的計算和分析，以及對相應(yīng)結(jié)果的預(yù)處理。因此，將圖像壓縮、圖像校準(zhǔn)、模式輔助識別分析、圖像配準(zhǔn)、邊緣提取、圖像識別等自動化的處理技術(shù)運用在結(jié)果的后處理過程中會為研究人員帶來便利，也讓無人值守的高通量數(shù)據(jù)存儲、測試和分析的實現(xiàn)成為可能。目前，圖像處理技術(shù)廣泛應(yīng)用于機器識別、機械工程以及圖像傳感等領(lǐng)域[28-30]，在顯微成像中，其一般僅僅被用于對電鏡結(jié)果的提取以及成像結(jié)果的算法優(yōu)化[31-33]。如果提取特定顯微系統(tǒng)表征手段中所具有的共同特征，結(jié)合模式自身特性以及對應(yīng)場景的圖像處理過程，不僅會大大減少探測及分析的工作量，還可以實現(xiàn)傳感成像的自動監(jiān)測與分析。

因此，本課題組研究制備了一種多模式共存的載物波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。通過對金屬-光子晶體復(fù)合結(jié)構(gòu)的參數(shù)調(diào)控，所設(shè)計的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)既可兼顧腔模的高穩(wěn)定性，亦可體現(xiàn)表面模的高靈敏性[34]。當(dāng)外界環(huán)境變化時，依據(jù)模式變化特性，我們提出并搭建了對應(yīng)的自動分析表征光路。在此過程中可以完全實現(xiàn)光路的自校準(zhǔn)、熒光信號的耦合角度測算以及折射率變化監(jiān)測等多元分析。該技術(shù)可以為光子芯片高通量分析、近場光行為的快速表征等智能光子學(xué)器件發(fā)展提供輔助方案，為揭示分子的光化學(xué)和物理過程奠定了基礎(chǔ)，具有重要的技術(shù)意義。

1 基于模式分布判定的光路自反饋調(diào)節(jié)

圖1為搭建的泄漏輻射顯微光路主要部件示意圖。選用532 nm波長的固體激光器作為激發(fā)光源，出射激光經(jīng)透鏡組擴束并準(zhǔn)直后，由分束鏡反射到激發(fā)物鏡中。同時，鹵素?zé)舭l(fā)出的白光經(jīng)透鏡準(zhǔn)直后被反射并與激光合束至同一物鏡。裝置所采用的載物基底是覆有一維光子晶體的蓋玻片，將不同折射率的熒光溶液樣品滴于載物基底上用于觀測。光子晶體由78 nm的氮化硅層和126 nm的二氧化硅層交替沉積組成，缺陷層是厚度為152 nm的二氧化硅[2]。當(dāng)熒光溶液中的熒光分子被激光激發(fā)后，波導(dǎo)模式耦合輻射可以被物鏡收集，并由成像透鏡組成像于CCD。

圖1 實驗光路示意圖。HL-鹵素?zé)?，Ls-透鏡組，L-透鏡，M-反射鏡，Mf-可翻轉(zhuǎn)反射鏡，BS-分束鏡，O-顯微物鏡，OS-光學(xué)載物基底

對于理想情況下的成像系統(tǒng)，熒光溶液樣品中的熒光分子會隨機均勻分布，CCD得到的信號也應(yīng)該均勻?qū)ΨQ分布。然而在長時間多波長的高通量數(shù)據(jù)測量過程中，會來回調(diào)節(jié)反射光路及CCD位置，難免會出現(xiàn)光束偏移以及CCD靶面傾斜，這在溶液的像面上一般難以區(qū)分。即使可以通過反射光束來進(jìn)行靶面校準(zhǔn)，也很難保證光路自身不發(fā)生偏移。利用泄漏輻射顯微鏡的后焦面信息，則可以看出細(xì)微的差異[24-25,35]。因此，對CCD采集到的熒光信息模式進(jìn)行自動化的模式提取分析，同時控制反饋電路校準(zhǔn)光路，就可以保證長時間測量的穩(wěn)定性。調(diào)試所采用的激發(fā)物鏡為數(shù)值孔徑為1.25的油浸物鏡，所選擇樣品為羅丹明6G（R6G）水溶液，其中熒光分子在532 nm波長的激光激發(fā)下會輻射中心波長為560 nm左右的熒光，如圖2（a）所示。但是當(dāng)熒光分子處于基底結(jié)構(gòu)附近時，其輻射將會受到波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的調(diào)制。常規(guī)手段是利用金屬的表面等離激元耦合輻射來調(diào)控輻射方向和強度。但我們所選取的基底結(jié)構(gòu)是含有不同折射率層的光子晶體結(jié)構(gòu)，調(diào)制手段更加豐富，且損耗更小。此基底結(jié)構(gòu)在空氣中所支持的TM模式分布如圖2（b）所示，可以看出，腔?；旧霞杏谛〗嵌龋铱梢员婚L波激發(fā)。而臨界角附近的表面模式為波導(dǎo)模式，其在42°附近被截止，只有長波段的光可以激發(fā)。所以在空氣中，該基底結(jié)構(gòu)無法同時支持多類模式。如果考慮溶液中的耦合情況，則可以發(fā)現(xiàn)腔模的輻射情況變化微小，而波導(dǎo)模式的輻射則會將截止角度擴展到約60°。綜合考慮到腔模的近垂直耦合出射有利于信號的收集，以及分子的熒光輻射強度，我們選擇580 nm的中心波長來完成實驗。

圖2 （a）熒光染料分子的發(fā)射光譜；（b）載物波導(dǎo)結(jié)構(gòu)在空氣中的色散曲線（紅色虛直線對應(yīng)著所選擇的波長）

當(dāng)基底結(jié)構(gòu)上方附著含有熒光分子的水溶液時，熒光分子處于載物基底與溶液構(gòu)成的波導(dǎo)環(huán)境中，本應(yīng)向各個方向輻射的熒光會被耦合定向發(fā)射?？梢栽谑占饴分蟹胖靡粋€中心波長為580 nm、帶寬為10 nm的帶通濾波片用以觀測輻射波長下的耦合模式。比如，在某時刻所采集到的信號如圖3（a）所示，內(nèi)部圓形對應(yīng)的是光子晶體的腔模耦合輻射（CMCE），而外部亮環(huán)對應(yīng)的是波導(dǎo)模式耦合輻射（GMCE）[35]。通過計算機對后焦面像的邊緣提取及霍夫變換，如圖中紅色虛線所示，顯然，亮環(huán)左右部分和標(biāo)準(zhǔn)圓貼合緊密，而上下部分則有若干個像素的差異。因此，可知此時測試的CCD靶面上下方向略有傾斜。不僅如此，模式的左右或者上下分布不均也可以反映激發(fā)光束在橫軸或縱軸方向有一定的漂移。顯然，圖中的對稱紫色線框里所采集到的熒光信號并不一致，左側(cè)信號略多于右側(cè)信號，因此激發(fā)光的方向在橫向有所偏移，具體偏移方向取決于反射光路的設(shè)計。這種偏移在對所采集到的信號進(jìn)行二值化處理時更加明顯，如圖3（b）。經(jīng)過處理后的圖像凸顯模式分布的不對稱性，通過對具體不對稱度的量化可以計算像素點之間的對比度，結(jié)合對比度結(jié)果判斷CCD靶面的偏差程度，并反饋控制信號至CCD圖像傳感器傾角的調(diào)節(jié)螺絲，重新校準(zhǔn)CCD的傾角位置。同時也通過光路反饋裝置調(diào)節(jié)激光光束，實時觀測像面信息。通過迭代對比校準(zhǔn)直到圓環(huán)與標(biāo)準(zhǔn)圓的像素對比度一致且各方向信號分布均勻，最終完成光路自反饋調(diào)節(jié)和校準(zhǔn)。

圖3 （a）泄漏輻射顯微鏡探測到的熒光分子后焦面像（虛線環(huán)對應(yīng)著模式的角度分布范圍，紫色線框?qū)?yīng)著對稱圖像中像素分布明顯不均勻的區(qū)域）；（b）后焦面像的二值化處理結(jié)果

2 基于熒光后焦面的輻射角度測算和白光后焦面預(yù)處理

對于后焦面所探測到的熒光信號，很多時候需要通過其輻射角度來分析模式特征[24]。所以模式角度的測算是模式特征分析過程的一個關(guān)鍵步驟。后焦面成像技術(shù)可以完成高空間分辨率的事實耦合輻射角測算，相比于傳統(tǒng)的角度掃描等方法更為高效和便捷。具體形式滿足如下關(guān)系：

其中，r是模式半徑，R是視場半徑，f是物鏡焦距，n是匹配折射率，θ是耦合輻射角，θmax是物鏡能收集到的最大角度。根據(jù)熒光成像后焦面中的亮環(huán)半徑及視場半徑的比值即可完成角度的測算。但對于熒光信號或拉曼信號來說，其自身信號弱，因此并不易被觀測到。而長時間曝光會導(dǎo)致信噪比降低，一般會帶來成像對比度的下降，使得測算耦合輻射角更加困難。尤其是對比度的降低會導(dǎo)致視場邊緣位置的難以觀測和確認(rèn)。另外，表面模式僅僅當(dāng)熒光分子處于界面附近才能有效地被耦合輻射，而熒光分子在溶液中的隨機分布會導(dǎo)致波導(dǎo)模式耦合輻射湮沒在遠(yuǎn)離界面熒光分子激發(fā)的熒光信號中，如圖4（a）所示，此時熒光鹽溶液位于載物基底上方，被激發(fā)后的熒光信號非常弱，對于此時的熒光耦合輻射，角度測算非常困難。

對于同結(jié)構(gòu)下的白光反射測量，反射信號強度遠(yuǎn)大于輻射信號，因此可以清楚地觀測到視場邊緣。視場中心代表腔模共振角的暗圓和視場周邊代表波導(dǎo)模式耦合共振角的暗環(huán)也都清晰可見，如圖4（b）所示。通過偶極輻射模擬熒光分子的出射強度分布，可得到不同角度的耦合輻射強度分布，如圖4（c）橘黃色實線所示?？梢钥闯?，在20°以內(nèi)以及40°至60°之間都有相對較強的輻射，對應(yīng)著腔模耦合輻射和波導(dǎo)模式耦合輻射，而各個模式在不同角度的反射率曲線如圖4（c）藍(lán)色實線所示，表明在對應(yīng)角度遠(yuǎn)場的光會被局域束縛在近場而難以反射。鑒于波導(dǎo)模式耦合輻射的角度和腔模反射共振的角度基本一致，可以利用此模式輻射角度范圍內(nèi)的最大值來完成圖像配準(zhǔn)，從而確定熒光耦合輻射的視場邊緣，完成包括腔模在內(nèi)的多個模式耦合輻射角度計算，具體的配準(zhǔn)方式兼顧特征點提取和互信息相互結(jié)合的方式[36]。在此采集狀態(tài)下，所得到的模式圖像基本上為環(huán)形和弧形，其特征點不明確，因而自動識別特征點時需要加上一定的判定標(biāo)準(zhǔn)和條件，并結(jié)合互信息的方式嘗試配準(zhǔn)。如圖4（d）所示，通過配準(zhǔn)可以確定熒光信號波導(dǎo)模式的邊緣，用灰色線圈表示。提取的白光后焦面的視場邊緣如圖中紅色線圈，運用到熒光后焦面中就可以知道視場半徑。通過先前的計算關(guān)系，得到腔模耦合輻射角度為12.28°，波導(dǎo)模式耦合輻射的最大角度為63.48°，與理論結(jié)果一致。值得注意的是，對于一些極弱信號的采集，噪聲相對較大，此類方式不能保證完全的無人值守，有時候會出現(xiàn)配準(zhǔn)失敗的情況，需要人為手動添加特征點來輔助配準(zhǔn)。

圖4 （a）含有熒光分子鹽溶液的后焦面熒光像；（b）白光反射下含有熒光分子鹽溶液的后焦面像（帶通濾波片中心波長580 nm）；（c）不同角度下熒光耦合輻射強度（橘黃線）及不同角度下580 nm白光的反射率（藍(lán)線）；（d）經(jīng)過配準(zhǔn)的后焦面熒光像（虛線對應(yīng)著同樣的視場范圍和模式分布大小）

對于白光信號，當(dāng)完成模式的識別和分析時同樣需要一定的配準(zhǔn)和圖像預(yù)處理。這是因為在圖像采集時，為了追求實驗細(xì)節(jié)和精度，所采集的圖像質(zhì)量一般都很高，若直接對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行自動分析，則會延長計算時間，尤其在后期模式的自動化提取過程中，循環(huán)掃描并設(shè)置種子點會帶來額外的計算量。因此，利用配準(zhǔn)完成的圖像模式提取前的存儲壓縮，有利于提高模式解析速度。從圖5（a）和5（b）可以看出，熒光后焦面像的分布更加集中，反射后焦面像的像素分布則更加均勻。根據(jù)前文測算的結(jié)果，二者的模式分布幾乎一致，對于模式的自動識別提取，我們希望可以讓計算機去自動識別熒光后焦面像中代表模式分布的亮環(huán)或者反射后焦面像中代表模式分布的暗環(huán)。毫無疑問，對于同樣的檢測程序，熒光后焦面中分布相對集中的像素更有利于計算機去識別和分析，可以大大縮短運算速度。因此，對于反射后焦面像，如果精度要求不高，或者有熒光后焦面的結(jié)果作為參照，可以將二者進(jìn)行配準(zhǔn)壓縮，再進(jìn)一步識別，這會極大提高模式自動化識別的運算速度。

圖5 后焦面（a）熒光像和（b）反射像的直方圖分布

3 基于模式提取的折射率變化監(jiān)測

當(dāng)載物基底上的溶液折射率發(fā)生變換時，其布洛赫模式耦合輻射（BWCE）的強度也會發(fā)生變化。這使得一些含有摻熒光染料的聚合物薄膜層的傳感結(jié)構(gòu)有了廣闊的應(yīng)用前景[25,35,37]。但是對于自身含有熒光分子的熒光溶液來說，熒光分子分布于溶液的不同位置，表面模式的耦合輻射往往會湮沒在其他熒光信號當(dāng)中，此時通過白光的反射信息來完成對溶液折射率變化的檢測更為有效。圖6（a）是熒光水溶液的白光反射后焦面圖，圖6（b）是熒光鹽溶液的白光反射后焦面圖。我們在成像裝置前添加了中心波長為580 nm的濾波片以及偏振方向為橫向的偏振片以觀測TM模式變化?？梢悦黠@地看出，當(dāng)熒光溶液折射率發(fā)生變化時波導(dǎo)模式的分布有了一定的展寬和移動。此時后焦面圖像自動分析技術(shù)的優(yōu)勢得以顯現(xiàn)。一方面，由于圖像的偏移，單純利用圖像相減等常規(guī)手段難以完成光強變化的測算，并且，腔模耦合共振的角度也有微小變化，會對模式的識別帶來干擾。另一方面，雖然可以手動利用圓弧的半徑比完成波導(dǎo)模式耦合共振的角度測算以及折射率變化，但是面向高通量測試的海量數(shù)據(jù)處理，人為測算需要耗費大量時間。因此，可以利用種子生長法完成圖中波導(dǎo)模式耦合輻射的提取[38-41]。這里僅僅考慮TM偏振下的波導(dǎo)模式，如果測量精度足夠高，也可以考慮TE偏振下角度分布極小的布洛赫模式變化[35]。這也意味著如果改變模式提取方式，其他更高靈敏度的模式變化也可以被提取分析。

圖6 （a）含熒光分子的水溶液和（b）含熒光分子鹽溶液的白光反射后焦面像；（c）水溶液后焦面像和（d）鹽溶液后焦面像中的自動模式提取結(jié)果

首先利用視場范圍邊緣提取并完成縮放配準(zhǔn)，減小不同時刻的測量誤差引起的微小圖像偏移。再沿著橫軸方向自動設(shè)置種子生長點，并循環(huán)遍歷所有像素。利用所生長區(qū)域的重心位置以及周長大小做出判定，可以篩選剔除中心的腔模區(qū)域、背景區(qū)域以及未展寬的波導(dǎo)模式區(qū)域，從而篩選出強度急劇變化的區(qū)域。為了節(jié)約計算時間，僅僅采集了左側(cè)的波導(dǎo)模式變化區(qū)域，其結(jié)果如圖6（c）和6（d）所示，可以看出其強度具有明顯的變化。通過計算得知，所提取的模式強度變化值為61.19%。通過參考計算獲得折射率和反射強度的關(guān)系如圖7（a）所示，可見，此時熒光鹽溶液的折射率約為1.36。根據(jù)所提取模式，自動計算弧內(nèi)外半徑與視場半徑比值，進(jìn)而得到對應(yīng)角度為60.63°和65.97°。作為對比，數(shù)值模擬計算了水溶液下和折射率為1.36鹽溶液中不同角度下的反射率，如圖7（b）所示，可以看出，對應(yīng)角度范圍正是強度變化最明顯的區(qū)域。

圖7 （a）不同折射率下波導(dǎo)模式在對應(yīng)角度范圍內(nèi)的相對強度變化率；（b）水溶液和鹽溶液樣品中不同角度對應(yīng)的白光反射率分布

4 結(jié)論

綜上所述，本文基于制備的支持多模共存的波導(dǎo)復(fù)合結(jié)構(gòu)，提出且搭建了含自動校準(zhǔn)分析功能的泄漏輻射顯微鏡。通過在后焦面成像結(jié)果中利用模式特征引入圖像處理技術(shù)，完成了實驗光路的自反饋調(diào)節(jié)與校準(zhǔn)?；跓晒夂蠼姑嫦窈桶坠夥瓷浜蠼姑嫦竦囊恢滦裕约盎バ畔⒑湍Ｊ教卣骷骖櫟呐錅?zhǔn)技術(shù)可以完成耦合角度的測算以及適合圖像壓縮的存儲方式。區(qū)域生長等模式提取手段也凸顯了后焦面的圖像變化。利用模式的自動提取和分析，可以實現(xiàn)樣品環(huán)境折射率變化的監(jiān)測。此項工作為無人值守的分子傳感監(jiān)測、成像自動化分析以及智能化光子芯片設(shè)計等領(lǐng)域拓寬了應(yīng)用范圍。