金属ナノ粒子におけるプラズモン光散乱の非線形特性解明とその光学機器への応用

• Project/Area Number: 15J01780
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Optical engineering, Photon science
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 桶谷 亮介 大阪大学, 工学研究科, 特別研究員(DC2)
• Project Period (FY): 2015-04-24 – 2017-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2016)
• Budget Amount: ¥2,300,000 (Direct Cost: ¥2,300,000); Fiscal Year 2016: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000); Fiscal Year 2015: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000)
• Keywords: 超解像 / 非線形 / ナノ粒子 / イメージスキャニング / 共焦点顕微鏡 / イメージスキャニング顕微鏡 / 非線形信号

Outline of Annual Research Achievements

今年度は、まず、非線形応答を用いた高解像顕微鏡法の検討を進めた。金属ナノ粒子の散乱光に見られる高次の非線形応答を利用することで、光学顕微鏡の結像特性を非線形に変化させ、超解像観察を行うことができる。しかし実用面では、非線形信号は微弱なため、信号量を増加することが必要である。本研究では、共焦点顕微鏡の光学系において、ピンホールと点検出器の代わりにCCDカメラを用いるイメージスキャニング顕微鏡法を非線形応答と組み合わせた。撮像した像を空間的に再配置することで、ピンホールと同様の空間分解能を維持したまま、取得する信号光を増加させることができる。結像特性を評価するため、光の干渉等を無視できるインコヒーレントな信号である蛍光を用いた。非線形応答として、蛍光の2光子励起を利用した。取得した像の信号対雑音比は、通常の共焦点像に比べ約1.3倍に改善した。
さらなる空間分解能向上のために、対物レンズの瞳面に振幅マスクを用いた。瞳の外縁部と中心部のみを透過するリング形状をマスクに用い、３次元方向の空間分解能を向上した。2光子励起と蛍光の飽和の組み合わせによる４次の非線形応答を用い、マスクによって発生する副産物であるサイドローブを低減した。空間分解能は1.3倍に改善した。また、試料の深部100 umでも同様の改善を示した。開発した高解像顕微鏡法は非線形応答を利用していることから、金属ナノ粒子の散乱光イメージングにも応用が期待できる。
金属ナノ粒子の非線形応答解明のため、従来の金ナノ粒子に加え、金ナノロッド及び銀ナノ粒子でも散乱光特性を測定した。吸収・散乱のプラズモン共鳴波長の違いから、散乱光の非線形応答が吸収の共鳴に起因することが示唆された。
以上の成果を３本の論文にまとめ、学術誌に発表した。

Research Progress Status

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] 国立台湾大学(台湾)
• [Journal Article] Saturated two-photon excitation fluorescence microscopy with core-ring illumination (2017)
  • Author(s): R. Oketani, A. Doi, N. I. Smith, Y. Nawa, S. Kawata, and K. Fujita
  • Journal Title: Optics Letters Volume: 42 Issue: 3 Pages: 571-574
  • DOI: 10.1364/ol.42.000571
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Ultrasmall all-optical plasmonic switch and its application to super resolution imaging (2016)
  • Author(s): H.-Y. Wu, Y.-T. Huang, P.-T. Shen, H. Lee, R. Oketani, Y. Yonemaru, M. Yamanaka, S. Shoji, S. Kawata, C.-W. Chang, K.-H. Lin, K. Fujita, and S.-W. Chu
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 6 Issue: 1 Pages: 24293-24293
  • DOI: 10.1038/srep24293
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Study of nonlinear plasmonic scattering in metallic nanoparticles (2016)
  • Author(s): Y.-T. Chen, P.-H. Lee, P.-T. Shen, J. Launer, R. Oketani, K.-Y. Li, Y.-T. Huang, K. Masui, S. Shoji, K. Fujita, S.-W. Chu
  • Journal Title: ACS Photonics Volume: 3 Issue: 8 Pages: 1432-1439
  • DOI: 10.1021/acsphotonics.6b00025
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research