Zobrazování orientace fluorescenčních dipólů

Abstract

Záření fluorescenčních emitorů může být polarizované v závislosti na orientaci jejich absorpčních a emisních dipólových momentů, které jsou spojeny s přechodem elektronu mezi energetickými hladinami. Diplomová práce je zaměřená na jednosnímkové měření 3D orientace emisního dipólového momentu, který charakterizuje dipólové záření fluorescenčních emitorů. Představená metoda je originální využitím q-destičky, která umožňuje převod mezi spinovým a orbitálním momentem hybnosti světla. Po průchodu dipólového záření q-destičkou je informace o orientaci emisního dipólového momentu kódována do vírových a nevírových kruhově polarizovaných stavů světla. Jejich interferencí jsou následně vytvořeny obrazové stopy s tvarem unikátním pro libovolnou 3D orientaci dipólového zářiče. Metoda měření orientace fluorescenčních dipólů je v práci popsána analytickým výpočtem a vizualizována pomocí numerických simulací. V rámci experimentální části byla představena experimentální sestava, která umožňuje praktické měření orientace fluorescenčních dipólů. Princip zobrazení byl úspěšně ověřen při zobrazení testovacích fluorescenčních nanočástic. Praktická použitelnost metody byla ověřena při zobrazení perovskitových nanočástic a dipólových emisních center v hexagonálním nitridu boru.

The radiation of fluorescent emitters can be polarized depending on the orientation of their absorption and emission dipole moments, which are associated with the transition of an electron between energy levels. This thesis focuses on the single-shot measurement of the 3D orientation of the emission dipole moment, which characterizes the dipole radiation of fluorescent emitters. The presented method is an original use of a q-plate, which enables the conversion between the spin and orbital angular momentum of light. After the dipole radiation passes through the q-plate, information about the orientation of the emission dipole moment is encoded into vortex and non-vortex circularly polarized states of light. Through their interference, image patterns are subsequently formed with shapes unique to any arbitrary 3D orientation of the dipole emitter. The method for measuring the orientation of fluorescent dipoles is described in the thesis through analytical calculation and visualized using numerical simulations. In the experimental part, an experimental setup was presented that enables practical measurement of fluorescent dipole orientation. The imaging principle was successfully verified using test fluorescent nanoparticles. The practical applicability of the method was demonstrated by imaging perovskite nanoparticles and dipole emission centers in hexagonal boron nitride.