使用全息成像揭示自然光子结构的隐藏动力学

摘要

该论文主要关注光学（线性和非线性）和全息方法的组合功率，用于揭示纳米级的现象。从生物光子和振荡化学反应研究中获得的结果作为代表性的例子给出，突出了全息术在纳米尺度上揭示动力学的能力。

摘要

在这种方法中，利用光学和全息技术的潜力来揭示自然系统在纳米级的动态响应的隐藏细节。在第一部分中，介绍了自然光子结构的光学和全息研究以及光速效应出现的条件，即由于光诱导的热梯度引起的纳米结构在纳米尺度上的位移或变形。这种效应通过实时数字全息干涉测量法揭示，监测温度引起的覆盖昆虫翅膀的鳞片变形。导致光驱效应出现的几何形状和纳米矫正之间的联系在实验中得到证明和证实。在第二部分中，展示了全息术如何潜在地用于揭示具有非线性动力学的化学系统中隐藏的细节，例如在复杂振荡Briggs-Rauscher（BR）反应中发生的相变现象。全息术在纳米尺度上呈现的潜力可以为控制和塑造各种应用中的光泳效应和图案形成开辟了巨大的可能性，例如颗粒捕获和悬浮，包括未燃烧的碳氢化合物在大气中的运动和不同气溶胶的分离，微塑料的分解和颗粒的分馏，以及微米级燃料颗粒的温度和导热性的评估。

引言

为了充分理解和注意到纳米世界中的所有独特现象，采用能够在纳米尺度上揭示有关结构和动力学的所有细节的技术至关重要。鉴于此，提出了线性和非线性方法的独特组合，结合全息技术在纳米级揭示系统动力学的力量。

所描述的全息技术可以看作是三重rec方法（rec是记录的缩写），因为在给定的时间，信号由照相相机，热像仪和干涉仪同时记录。线性和非线性光学光谱学和全息学是众所周知的技术，其基本原理在文献^1，2中得到了广泛的描述。

长话短说，全息干涉测量允许比较在不同时刻记录的波前，以表征系统的动力学。它以前用于测量振动动力学^3，4。全息作为最简单的干涉测量方法的强大之处在于其检测系统内最小位移的能力。首先，我们利用全息技术观察并揭示了不同生物结构中的光泳效应⁵ （即由于光诱导的热梯度引起的纳米结构变形的位移）。为了真实地介绍该方法，从一些测试的生物样品中选择了代表性样品⁶。西班牙女王的翅膀蝴蝶， Issoria lathonia （Linnaeus，1758; I. lathonia），在本研究的框架内使用。

在成功证明了生物组织中纳米级光泳的发生后，应用类似的方案来监测振荡化学反应中相变引起的自发对称性破坏过程⁷。在这一部分中，研究了在化学非线性BR反应中发生的从低浓度碘化物和碘（称为状态I）到具有高浓度碘和碘的相变，并形成固体碘（定义为状态II）。在这里，我们首次报告了一种全息方法，可以研究凝聚系统中发生的纳米级相变和自发对称性破坏动力学。

研究方案

1. 预表征

1. 对样品进行完整的预表征。
   1. 对从商业来源购买的干燥样品进行所有实验。将样品储存在实验室中，在干燥和黑暗的地方，在室温下。
   2. 在全息测量之前，通过扫描电子显微镜（SEM），线性光学光谱和非线性光学显微镜（NOM）¹⁰ 进行完整的样品表征（图1）。
   3. 除了通过线性技术测量的样品的光学特性外，还可以使用更高强度的激光束收集补充信息，从而可以表征其非线性光学特性。
   4. 利用相应的非线性光学敏感性对非线性光学响应进行量化，形成非破坏性多光子激发荧光、二次谐波发生（SHG）等非线性光学技术的基础，用于表征各种生物样品。
   5. 对于振荡BR反应中发生的非线性化学现象，用以下浓度的反应物进行从状态I到状态II的原位相变的干涉监测研究:[CH₂（COOH）₂]0 = 0.0789 mol ^dm-3，[MnSO₄]_{0 = 0.0075} mol ^dm-3，[HClO₄]_{0 = 0.03} mol ^dm-3， [基奥₃]₀ = 0.0752 mol ^dm-3，并且 [H₂O₂]₀ = 1.269 mol ^dm-3（支架后的 0 代表过程开始时的初始浓度）。使用于BR反应的总体积等于2.5 mL。
      注意:此处使用的浓度值等于Pagnacco等人⁸研究中的值，但反应体积除以10。
2. 为实验准备样品。
   1. 使用西班牙女王蝴蝶 I. lathonia 的翅膀进行此实验。将机翼放在坚硬的表面上，并用直径为10 mm的刀具制作一段。将样品放在样品盒中，样品盒可以是任何带盖的容器。

图1:蝴蝶翅膀鳞片的波浪形横截面。在非线性光学扫描显微镜（A，B）上记录横截面。还对西班牙女王的翅膀I. lathonia进行了SEM观察（C）。此数字已从^{14 修改}。请点击此处查看此图的大图。

2. 实验设置

1. 全息设置
   注:全息干涉测量是使用定制的光学设置进行的（图2）。
   1. 将实验室温度调节至23°C±0.2°C。 打开激光。对于这些全息观察，使用激发波长为532nm的激光器（ 材料表中给出了详细信息）。
   2. 检查光学元件的对齐方式（图2）。首先，检查是否根据 图 2 中的方案进行了设置。
   3. 将激光束与凹面镜M完美对齐，检查并调整扩束镜（L）的位置。
   4. 确定撞击样品S的光束部分，并确保其形成反射光束O.检查光束的其余部分是否收集在球面镜CM上，以用于生成参考光束R.检查探测器C是否放置在两个指定光束的干涉区域内。
      注:互补金属氧化物半导体 （CMOS） 传感器用作检测器。
   5. 根据所用摄像机的说明设置摄像机。为全息实验设置光学/照相相机，如图 2 所示（C是相机;细节在 材料表中给出）。设置第二台光学/摄影相机以查看BR反应的可见变化，并设置热分辨率为50 mK，焦距为13 mm的热成像相机。
      注:全息实验中使用的相机不使用物镜;光线直接照射到芯片上。
2. 将样品准备到全息设置中。
   1. 按照步骤1.2.1准备翅膀样品。将制备的样品放在直径为15 mm的圆形金属支架上。支架有三个现有的孔，用于固定样品的金属环连接到的螺钉。
   2. 将戒指连接到支架上。将附着的样品放在光学工作台上的样品支架部分。
   3. 准备用于化学反应监测的样品。在光学工作台上，在预定位置放置一个带有平坦粘合剂表面的支撑物，比色皿/容器将放置在该位置。
   4. 准备用于初始化反应的试剂，如步骤1.1.5所示。将反应物填充到比色皿中，并按以下体积和浓度的顺序在比色皿中混合:0.7mL 0.2817mol ^dm-3 CH₂（COOH）₂;0.5 mL的0.0375 mol ^dm-3 MnSO₄;0.5 mL的0.15摩尔^dm-3 HClO₄;0.5 mL的0.376 mol ^dm-3 KIO₃ ;和0.3 mL的10.575 mol ^dm-3 H₂O₂。
   5. 确保比色皿中的总容积为 2.5 mL，并将其放在设置中的支架上。
   6. 如果需要，设置其他仪器。为了监测光泳效应，使用额外的激光器（ 细节在材料表中给出）进行局部加热。

图2:全息设置。 该图显示了全息实验中各种组件的排列方式。缩写:L1 =532 nm处的激光，L =双凸透镜，A =孔径，M =用于偏转激光束的平面镜，CM =凹面镜，C =CMOS相机，S =蝶翼部分，R =参考光束，O =物体光束。 请点击此处查看此图的大图。

3. 所用软件的设置

注意:基于菲涅耳近似¹¹ 的自制C++软件用于分析全息实验数据。为本研究开发的软件可以在 上找到。¹² .软件的详细信息目前无法发布;但是，其他信息将应要求提供。菲涅耳近似在数字全息术中非常有用，因为它专注于不同的表面并放大第一衍射阶的区域，其中包含有关记录场景的完整信息。

1. 打开计算机并运行软件。
   注:运行软件的步骤取决于软件本身。没有用于此目的的商业软件。

4. 执行实验

1. 关闭外部指示灯。在黑暗的房间里进行整个实验。
2. 使用所选间隔同步摄像机。对于此实验，请在60秒后启动全息相机，并在其后立即使用其他两台相机，使用软件或手动启动。
3. 按下录制按钮并在软件中定义录制开始的时间。
4. 在感兴趣的系统中诱导动态变化。起始方法取决于样品的类型;在光泳效应的情况下，使用可用的激光器外部加热样品:450 nm，532 nm，660 nm，980 nm。在BR反应的情况下，通过混合化学反应物开始反应。观察全息实验。
5. 设置照相和热像仪以跟踪整个实验，并从光学和热测量中确定全息记录结束的时刻。
6. 宣布该过程结束。记录的结尾根据过程的估计持续时间进行预编程。对于BR反应，使用凝固作为反应的结束。在光泳效应的情况下，没有这种特定的时刻。无论如何，此步骤强调了三重录制的重要性。

5. 取得成果¹²

1. 保存结果。根据时间的函数对文件进行精确排序，以重建全息图和进行更深入的数据分析。
   注:在此步骤中，数据从用于全息摄影的相机传输到以拍摄日期命名的文件夹中的计算机（硬盘）。使用复制/粘贴和重命名按钮。
2. 检查探头全息图的相应设置。通过这种方式，通过查看第一个全息影像，在第一个全息影像上选择最佳设置，然后用于重建所有全息影像。
   1. 通过从您之前创建的文件夹中单击其中一个全息影像（步骤 5.1）来选择一个全息影像，并通过单击"重建"按钮进行 重建 。
   2. 更改设置以获得最佳图像并再次进行重建。用于调整采样、偏移和菲涅耳距离等参数的选项将显示在屏幕上（软件菜单）。重复这些步骤，直到定义最佳设置。
   3. 执行重建。通过单击" 打开文件 "按钮并选择所有文件来选择所有全息影像。应用所需的参数进行全息图的数值重建;它们在步骤 5.2.1 之后保持不变，因此这次不要执行任何操作。
   4. 使用"重建"按钮执行 重建 ，并通过在"开头为/结尾为"字段中插入文件名，然后单击" 批处理"按钮来执行干涉图。干涉图显示在以前创建的文件夹中（在步骤 5.1 中）。
      注意:在时间上记录一系列全息影像后，第一个全息影像表示未扰动状态，而外力的作用会导致后续的全息影像。有必要使用移位菲涅耳变换¹³重建全息图。
   5. 通过减去（以复数表示）特定全息图来获得干涉图，并及时获得第一个全息图。
      注意:该协议允许观察力对物体的影响。干涉图案随时间的变化是测量过程中系统内发生的变形或位移的结果。这些变化用于监测纳米级的系统动力学。

6. 结果分析

1. 执行可视化分析作为过程的第一个质量控制步骤。在此步骤中，查找干涉图案中的可见变化，并尝试将干涉图案的变化与光学和热测量获得的结果相匹配。
2. 对所有录音进行盘问。在分析的第二阶段，通过全息重建彻底分析来自光学和热像仪的图像，以揭示纳米级的动力学。通过这种方式，在全息，热和摄影图像中同时看到反应时刻。
3. 根据数值/软件分析对结果进行图形表示，并以图形（1D，2D或3D），图表，直方图等形式呈现它们。在对结果进行全面分析后，得出结论并期待基于此的进一步研究。

结果

在 Morpho menelaus butterfly⁵翅膀上的第一次实验中诱导并监测了光泳效应。该效应是由不同波长（450 nm，532 nm，660 nm和980 nm）的LED激光器的作用引起的。在这里，使用了 I. lathonia butterfly¹⁴ 的翅膀。记录过程完成后，重建全息图图像。

讨论

在所提出的生物光子学研究中，表明一种新的全息方法可用于检测由低水平热辐射引起的最小形态位移或变形。

使用生物样品进行全息测量的最关键步骤是制备步骤。样品的制备（切割/胶合以匹配支架的尺寸）取决于样品的机械性能，并且不可能为此步骤制定标准方案。

关于BR研究，拥有透明的反应容器和相对清晰的光路至关重要，因为化学反应或物理...

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
Active Vibration Isolation, Four Optical Table Supports	Thorlabs	PTR502	High Load Capacity: 2,500 kg, Height 600 mm
Cuvette			Standard glass cuvette
Holographic camera (optical camera for holography)	Cannon	EOS 50D	Sensor Size 22.3 x 14.9 mm; Pixel pitch 4.69 µm; Max. resolution 4752 x 3168; JPEG file format
Hydrogen peroxide, H2O2	Merck (Darmstadt, Germany)
Laser	Laser Quantum	Torus 532 laser	Wavelength 532 nm; Power 390 mW; Coherence length 10 m
LED lasers
Malonic acid, C3H4O4	Acrs Organics (Geel, Belgium)
Manganese sulphate,  MnSO4	Fluka (Buchs, Switzerlend)
Nonlinear optical microscope	IPB
Optical accessories	Thorlab
Optical spectroscope
Optical table	Thorlabs	TOP450II PTR52509	dimensions 2000*1250*310 mm
Perchloric acid, HClO4	Merck (Darmstadt, Germany)
Potassium iodate, KIO3	Merck (Darmstadt, Germany)
Software			Home-build software made by one of the authors: Dusan Grujic. This software was conducted in partial fulfillment of the requirements for the PhD deegree of D.G.
Thermal camera	Flir	A65	640x512 pixel; Thermal resolution 50 mK
Video camera	Nikon	1v3	18.4 Mpixel; 60 fps