表面波光學(xué)顯微鏡主要用于研究表面或界面處光與物質(zhì)的相互作用、樣品表面或界面處的行為特征。目前，常用的表面波光學(xué)顯微鏡是利用金屬(通常為金或銀)薄膜負(fù)載的表面等離子體波(Surface Plasmons, SPs)作為照明光源的表面等離子體共振顯微鏡(Surface Plasmon Resonance Microscopy, SPRM)。

但是，SPRM存在兩個不足之處，限制了其更為廣泛的應(yīng)用：第一，由于SPs的傳播特性，導(dǎo)致了SPRM在SPs傳播方向的空間分辨率通常為幾個微米，遠(yuǎn)大于光波的衍射極限；第二，由于SPs需要特定的激發(fā)條件且顯微物鏡的數(shù)值孔徑有限，導(dǎo)致了SPRM對入射光的波長、偏振及襯底材料有一定要求，如入射光必須是長波，且必須是p偏振光，樣品必須放置在金屬材料上。

針對上述不足，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)光學(xué)與光學(xué)工程系微納光學(xué)與技術(shù)課題組副教授張斗國、教授王沛，與浙江大學(xué)教授劉旭、匡翠方，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所研究員劉建國、桂華僑，中國科大高分子科學(xué)與工程系教授鄒綱，美國馬里蘭大學(xué)醫(yī)學(xué)院教授J.R. Lakowicz等合作，提出并實(shí)現(xiàn)了一種基于旋轉(zhuǎn)照明的表面波光學(xué)顯微成像新技術(shù)，提高了無標(biāo)記成像的分辨率，拓展了表面波光學(xué)顯微鏡的應(yīng)用范疇，相關(guān)研究成果以Label-free surface-sensitive photonic microscopy with high spatial resolution using azimuthal rotation illumination 為題，發(fā)表在國際期刊《科學(xué)進(jìn)展》(Science Advances)上。

圖1a所示為在自主搭建的光學(xué)顯微鏡上加載了旋轉(zhuǎn)照明模塊。利用掃描振鏡精確、高速的調(diào)節(jié)光束入射角度，在保持徑向角度(θ對應(yīng)表面波的共振激發(fā)角度)不變的情況下，讓方位角在0°到360°之間高速旋轉(zhuǎn)(圖1b)，進(jìn)而在各個方向激發(fā)傳播的SPs。無需圖像處理，利用探測器采集圖像的時間平均效應(yīng)可自然地提高SPRM成像分辨率。如圖2a所示，被成像樣品是一根彎曲介質(zhì)納米線，利用常規(guī)的SPRM只能看到模糊的圖案，并有很多條紋造成的假象；而利用旋轉(zhuǎn)照明SPRM，可有效分辨出此納米線的形貌和彎曲(圖2b)。對比實(shí)驗(yàn)證明，旋轉(zhuǎn)照明有效提高了SPRM成像分辨率，解決了目前SPRM存在的第一個不足之處。

為了解決第二個不足之處，介質(zhì)多層膜負(fù)載的布洛赫表面波(Bloch Surface Waves, BSWs)被提出用來替代金屬薄膜的SPs，從而研制出另外一種表面波光學(xué)顯微鏡：Bloch surface wave microscopy (BSWM)。其優(yōu)勢在于：介質(zhì)薄膜(頂層材料為玻璃)穩(wěn)定性優(yōu)于金屬薄膜且易于進(jìn)行生化修飾；BSWM既可以工作于長波也可以工作于短波；BSWs的穿透深度可以調(diào)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)不同深度的表面成像；BSWM可以工作于p偏振和s偏振入射光，有利于偏振敏感樣品的測量與表征。基于這些優(yōu)勢，BSWM的應(yīng)用范圍更為廣泛。

該論文共同第一作者是光學(xué)與光學(xué)工程系研究生蒯雁和課題組畢業(yè)生陳俊學(xué)(現(xiàn)工作于西南科技大學(xué))，通訊作者為張斗國。上述研究工作得到科技部、國家自然科學(xué)基金委、安徽省科技廳等的支持。相關(guān)樣品制作工藝得到了中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)微納研究與制造中心的儀器支持與技術(shù)支撐。