显微镜变身“温度计”！——玻璃片上的微区热谱图-两江科技评论
近日，宾夕法尼亚大学、纽约州立大学布法罗分校科研人员组成的团队开发出一种新的技术昆仑镜之忆，通过特殊的结构设计，能够利用显微镜同时探测微区的光学图像和温度图像，该技术具有成本低、探测灵敏度高等优点。
背景介绍
显微镜是大多数人耳熟能详的光学仪器，它给了我们观察微小区域的“眼睛”。然而基于光学成像的显微镜只能观察微区光学图案，却不能给我们太多其他物理信息。
比如，当我们需要研究微小区域的温度，这个“眼睛”就失效了。一般来说，我们可以通过温度计来探测温度，可温度计的空间分辨率远远达不到微区分辨的要求战地雄鹰 。这使得微区热探测成为了科学和技术上的一个难题。
数十年来，研究人员一直尝试着将热谱图和显微镜结合起来李倩妮 。但是，传统的方法如热电偶扫描式热成像系统的图像分辨率和效率都很低，而太赫兹和红外热成像技术与显微镜镜头存在兼容性问题，增加了探测的难度。其他的技术，如利用等离基元结构的热响应则成本过高，并且实时测量也不够方便。
技术成果
近日，宾夕法尼亚大学、纽约州立大学布法罗分校科研人员组成的团队开发的新技术，实现了10微米大小物体的温度场和光学图像的同时测量，温度分辨率可以达到0.02摄氏度。而且，实现这一功能仅仅需要几美分的成本。该成果以“Exceptional point engineered glass slide for microscopic thermal mapping”为题发表在2018年5月2日的《Nature Communications》上 [1] 。
图1.显微镜热谱图测量及样品示意图
这项技术是基于一种三明治构型的多层薄膜结构李聪娜。在普通的玻璃片上李诚玉，按特定顺序和厚度依次加工三层特殊的薄膜，上下两层是金膜，中间夹有一层丙烯酸玻璃（与大多数眼镜使用的材料相同）。金膜的厚度非常薄剩女桃花劫 ，仅为一张A4纸厚度的万分之一。
由于金膜是具有光学损耗的金属材料，而丙烯酸玻璃是透明度很好的光学介质材料，特殊的光学构造使得光在某些波段具有完全无反射的特点[1-3]，这种特殊的反射行为在反射谱上称为“奇异点”（Exceptional Point）恐龙对大蟒 。当外加热信号对“奇异点”造成干扰时，消失的反射光重新出现；通过探测反射光的变化，就达到了探测外加信号的目的。
这种“奇异点”多层膜的优势在于，对于外界微扰，光学反射率随外界微扰具有1/2次方的变化关系，而普通抗反射薄膜是线性变化。因此 “奇异点”涂层具有更高的灵敏度。值得一提的是，这种新型多层膜材料可以设计在普通的氦氖激光器的工作波段，能够与大多数显微镜无缝集成，大大提高了其使用价值和应用场合。
创新点
该论文的通讯作者、来自宾夕法尼亚大学的冯亮教授及其团队表示，现阶段已拥有可以观测微小物体的光学仪器，张威凯如高分辨光学显微镜；也有了测量温度的工具，如红外线温度计。但是至今还未能有一种低成本的、可靠的方式可以把它们结合起来。而这一新型多层膜材料带领着我们朝这个方向迈出了一大步。
图2 微区热谱示意图及温度探测原理
这项技术所基于的奇异点探测理论是光学研究的前沿领域，而此项理论所预言的增强探测特性使得其具有广泛的应用价值和前景：上至高端的军用探测技术、计算机行业中的热量探测、实验室中的弱信号精密检测凯登克劳斯，天魔琴下至日常生活中的温度检测，甚至高中的实验课堂，都能够找到此项技术可应用的舞台。不仅仅是温度探测，对于光信号、湿度、PH值、压强等其他物理量的探测，该技术也展现出潜在的应用价值。
作者：朱学艺
排版：孟真
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参考文献：
[1] H. Zhao, Z. Chen, R. Zhao, L. Feng何沛函, Exceptional point engineered glass slide for microscopic thermal mapping, Nature communications, 9 (2018).
[2] L. Feng, Y.-L. Xu, W.S. Fegadolli, M.-H. Lu, J.E.B. Oliveira, V.R. Almeida, Y.-F. Chen, A. Scherer, Experimental demonstration of a unidirectional reflectionless parity-time metamaterial at opticalfrequencies, Nature materials, 12 108-113 (2013).
[3] W. Chen, S. Kaya Ozdemir, G. Zhao, J. Wiersig, L. Yang, Exceptional points enhance sensing in an optical microcavity, Nature, 548 192-196 (2017).
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