近场光学显微技术的进展及其应用

近场光学显微技术突破传统光学衍射极限获得了纳米尺度的空间分辨率,井在近场光存储、平导体材料、生命科学等交叉学科领域发挥了巨大的作用.本文综述了近场光学显微技术的发展现状,讨论了基于近场光学原理的超分辨近场结构在现代光刻技术上的应用、表面等离激元的共振增强作用和束流作用在近场光学领域的进展以及表面增强拉曼散射机理的研究,并介绍了近场光学显微技术在单分子检测和细胞探测等其它生命科学领域的一些发展.     

表面等离激元纳米结构增效的光电探测器进展（特邀）

光电探测器作为航空航天、深空探测和环境监测等领域的核心器件之一,具有重要的科学研究和实用价值。表面等离激元具有可突破光学衍射极限、实现纳米聚焦的性质,为光电探测器的性能提升提供了全新的技术手段,是近年来光电探测增效研究领域的热点之一。文中围绕表面等离激元纳米结构增效的光电探测器研究展开综述,首先介绍了各类表面等离激元纳米结构的物理特性,主要包括局域表面等离激元结构和传导型的表面等离极化激元结构,以及由表面等离激元金属和半导体材料构成的异质结构;然后重点从探测器性能、探测原理和工艺方法等角度,介绍了等离激元纳米结构增强的光电探测器的研究进展;最后对表面等离激元纳米结构增效的光电探测器及其在未来面临的挑战进行了总结和展望。     

表面等离子体受激辐射放大领结型纳米天线的SERS单分子探测(英文)

基于表面等离激子受激辐射放大原理,提出了一种应用于表面增强拉曼散射(SERS)单分子探测的领结型纳米天线结构。采用有限元方法(FEM)研究其局域表面等离子体共振(LSPR)和SERS特性。结果表明,该领结型纳米天线的局域表面等离子体共振强度和局域电场强度得到明显的增强,其散射截面为非表面等离激子受激辐射放大领结型纳米天线的1.1×104倍,局域电场强度为1×102倍。同时,该领结型纳米天线的表面增强拉曼散射增强因子最大达到1016,足以进行精确的单分子探测;整个纳米天线表面的增强因子也可达到1012,足以应用于单个生物分子的探测。     

中科院物理所金属纳米线集成纳米光学芯片的原理研究取得新进展

<正>金属纳米结构中的表面等离激元具有许多奇特的光学性质,如光场局域效应、透射增强、共振频率对周围环境敏感等,因而被广泛应用于纳米集成光学器件、癌症热疗、光学传感、增强光催化、太阳能电池以及     

“2013中国光学重要成果”入选成果介绍

正(排序不分先后)基于等离激元增强拉曼散射的单分子化学成像中国科学技术大学侯建国院士研究团队(doi:10.1038/nature12151)在高分辨化学识别与成像领域取得重大突破,在国际上首次实现了亚纳米分辨的单个卟啉分子的拉曼成像。他们将具有低温超高真空环境的高分辨扫描隧道显微技术与具有单光子检测灵敏度的拉曼光谱技术结合在一起,利用隧道结中纳腔等离激     

表面等离激元波导-腔结构中的Fano共振

正表面等离激元Fano共振是由金属纳米结构中窄带的暗态和宽带的明态相互耦合产生的,由于它具有陡的非对称响应谱和场增强效应,因此在纳米光子器件中具有重要应用,如调制器、光开关、传感器等。利用有限元和散射矩阵理论相结合的方法研究了表面等离激元波导-腔结构中Fano共振的物理机制,包括耦合谐振腔效应、多模共振耦合效应等、基于上述表面等离激元波导-腔结构中的Fano共振,实现了分柬、光开关、传感器等纳米光子器件、由于表面等离激元波导具有亚波长束缚并在芯片上易于集成,这些基于表面等离激元波导-腔结构的纳米光子器件在高度集成光子回路中具有重要应用前景、     

宽带近红外表面等离激元逻辑与门器件的设计

提出了一种宽带近红外表面等离激元逻辑与门纳米结构。两个输入端由相互平行的狭缝天线构成的近红外宽带定向表面等离激元耦合器构成。这种放置在圆弧上的耦合器阵列纳米结构在径向偏振光照射下表面等离激元具有聚焦特性。两个相同的这种圆弧形纳米结构产生的表面等离激元聚焦光斑分别由两个槽型波导传输到输出端叠加干涉。在发生线性干涉时,两个振幅相同,偏振方向一致,相位差为零的表面等离激元干涉强度为单个圆弧形纳米结构产生的表面等离激元强度的4倍。理论分析了结构和器件原理,并用时域有限差分法软件模拟了输入输出逻辑关系以及宽带特性。     

单椭圆太赫兹金属线表面等离激元的特性研究

使用有限元方法(FEM)分析了椭圆柱形金属线在0.5THz太赫兹波下的表面等离激元的特性。这种场与圆柱形金属线表面等离激元类似,具有低损耗、低色散的特性。研究结果表明,随着长轴与短轴比值的增加,椭圆柱形金属线的场逐渐分裂开并越来越向椭圆的两个尖端区域集中,损耗也一直在显著减小,故传播距离始终在增大。由于这些特性,椭圆形横截面金属线适用于太赫兹波导、聚焦以及成像等领域。     

银纳米线-三角片耦合结构发射光的偏振依赖特性

银纳米线可以承载传播的表面等离激元,纳米片可以产生局域的表面等离激元,二者形成的耦合结构不但可以将传播光场耦合为局域增强光场,还可以调控光场的偏振态等性质,为纳米光调控提供新的自由度。本团队构建了银纳米线-三角片耦合结构,并发现耦合结构的发射偏振与纳米线-三角片的耦合方式有关：当三角片与纳米线之间是“线”接触耦合时,耦合结构的发射偏振随着激发偏振的旋转而旋转;当二者是“点”接触耦合时,无论激发偏振如何变化,发射偏振角度几乎保持160°不变。进一步,利用时域有限差分法验证了出射偏振对入射偏振的依赖特性。通过计算自由电流密度体积分揭示了纳米线中传播的表面等离激元模式与银纳米线-三角片耦合模式的转化机制,以及不同表面等离激元模式的叠加对发射偏振的调控。这些发现为纳米尺度上的光调控以及在纳米尺度上构建纳米光子器件提供了更多灵活性。     

All-optical Control of surface plasmon polaritons based on metal slit structures

表面等离激元是束缚在金属—介质交界面上的一种电磁波模式,可突破衍射极限,被认为是下一代集成光子回路最有希望的信息载体。基于我们的研究工作,就几种表面等离激元金属狭缝结构的原理和应用做了简单概述。利用法布里-波罗谐振腔、法诺共振、多模干涉等光学效应,这些金属狭缝结构可对表面等离激元的传输行为进行有效地调控。在理论上和实验上,利用金属狭缝结构实现了亚波长表面等离激元单向激发器、亚微米宽带单向激发器、亚微米分束器、超紧凑纳米聚焦器件和亚微米全光开关等纳米光子器件。这些纳米光子器件在纳米集成光学中具有重要应用。     

基于金属狭缝结构的表面等离激元全光调控

表面等离激元是束缚在金属-介质交界面上的一种电磁波模式,可突破衍射极限,被认为是下一代集成光子回路最有希望的信息载体。就几种表面等离激元金属狭缝结构的原理和应用做了简单概述。利用法布里-珀罗谐振腔、法诺共振、多模干涉等光学效应,这些金属狭缝结构可对表面等离激元的传输行为进行有效地调控。在理论和实验上,利用金属狭缝结构实现了亚波长表面等离激元单向激发器、亚微米宽带单向激发器、亚微米分束器、超紧凑纳米聚焦器件和亚微米全光开关等纳米光子器件。这些纳米光子器件在纳米集成光学中具有重要应用。     

突破衍射极限的表面等离子体激元

表面等离子体激元是外部电磁场诱导金属表面自由电子的集体共振,产生沿金属-介质界面传输的表面波,具有亚波长局域、近场增强和新颖的色散特性,在纳米光子学中发挥着重要的角色。利用表面等离子体激元构成的光学器件能够突破衍射极限,实现微电子与光子在同一个芯片上的集成。系统介绍了表面等离子体激元的基本原理,及其在光波导、探测器、调...     

金属纳米颗粒光力增强与稳定捕获研究

基于有限元算法和Maxwell应力张量法,分析了紧聚焦高斯光束照明下金基底表面的金纳米球所受光力。利用无结构的平整金基底,被捕获的金纳米颗粒和金基底之间能够产生间隙表面等离激元和局域表面等离激元共振效应,将电磁场局域在金球与金基底之间的纳米间隙内,增强了金纳米球所受光力以及光阱刚度。通过研究入射光的偏振态、金纳米球的半径、基底类型以及聚焦光束焦点到基底表面距离对光力的影响,得到了实现基底附近金纳米球稳定捕获以及获得最大光力的优化方案。     

表面等离子体激元增强薄膜太阳电池研究进展

表面等离子体激元共振是金属纳米结构非常独特的光学特性,对基于表面等离子体激元共振的纳米结构体系的研究已形成了一门新兴的学科,即表面等离子体光子学。可以利用金属纳米颗粒光散射、近场增强以及高度局域的表面等离子体极化激元增强薄膜太阳电池光吸收,提高电池转换效率。当前,表面等离子体光子学应用于太阳电池的设计已成为国际上光伏研究迅猛发展的一个热点。文章主要介绍表面等离子体激元增强薄膜太阳电池光吸收的原理及其在光伏器件中应用的最新研究进展。     

基于表面增强拉曼光谱的光纤生化传感器

基于生化分子检测技术高灵敏度、小型化的需求,通过简单的管式腐蚀法制成一种锥柱组合型光纤探针,并通过相反的静电引力将银纳米颗粒结合到硅烷化的二氧化硅光纤探针表面。用罗丹明6G（R6G）溶液的检测极限来表征该光纤探针的活性和灵敏度,通过优化银纳米颗粒的自组装时间为30mins、光纤探针直径为62μm,制备出高灵敏度的光纤表面增强拉曼散射探针,远端检测R6G的检测极限可达到10-14Mol/L,银纳米颗粒的增强因子为1.36×104。因此,该光纤表面增强拉曼散射探针在分子检测方面有巨大的应用前景。     

应用于高密度近场光存储技术的亚波长纳米孔

近场光存储技术因其高分辨率、超出传统光学衍射极限的限制等特点成为实现下一代高密度光存储的关键解决方案之一.目前应用的主要瓶颈是其光源较低的透过强度难以达到实际应用的要求.文章利用金属表面的周期性结构激发表面等离子体激元来提高亚波长纳米孔的透过率的解决途径.实验中制作了两种周围带有表面周期结构的纳米微孔,并对小孔周围光栅状结构的形状对纳米孔透过强度的影响进行了讨论.在此基础上提出了将纳米孔应用于高密度存储领域的设想.     

石墨烯纳米片阵列的表面等离激元法诺共振

为了在中红外波段获得多阶表面等离激元法诺共振, 设计了结构简单、制备方便的非对称石墨烯纳米片二聚体阵列超表面。采用有限元分析方法, 对各阶法诺共振峰产生的物理机制, 费米能级、纳米片结构及相对位置等因素对法诺共振的影响进行了理论分析。结果表明, 随着费米能级的增加, 法诺共振发生蓝移; 表面等离激元共振效应增强, 同时增强了近场的局域效应; 随着纳米片二聚体的大小和位置的不对称性增加, 法诺线型的非对称性也随之增加; 这种结构简单的多阶表面等离激元法诺共振有望在生物传感及相关领域得到广泛应用。该研究为进一步的实验研究提供了理论参考。     

聚焦表面等离激元研究取得进展

表面等离激元研究是纳米光学研究的重要组成部分。北京大学物理学院朱星教授课题组在对聚焦表面等离激元（SPP）的研究工作中,利用扫描近场光学显微术（SNOM）,通过引入对称性破缺的概念,成功实现了在线性偏振光激发下对SPP干涉条纹的调制。并且快速获得表面等离激元垂直分量的亚波长单点聚焦。这项工作研究了纳米金属围栏分别在径向偏振光和线性偏振光激发下的SPP干涉现象．通过数值模拟和解析计算相结合．建立了SPP在围栏内部的波动模型．很好地解释了SPP聚焦的形成机制．这一工作为今后基于SPP应用的微纳光电器件的发展提供了新方法。     

纳米等离子体及其在生物传感器中的应用

近年来,基于表面等离子体的材料和器件在基础科学和应用科学研究领域受到了极大关注。首先介绍了纳米等离子体与激发光的作用机理及其展现的独特效应;然后分别介绍了纳米等离子体作为传感手段在DNA分子尺、单纳米粒子检测、表面增强型喇曼光谱等研究方向的最新进展,以及作为纳米操控手段在基因表达和抑制方面的研究进展;最后对表面等离子体在纳米技术领域的应用进行了讨论,并对其广阔的发展前景进行了展望。     

Ag纳米粒子点阵的表面等离激元共振特性调控

通过纳米粒子束流气相沉积方法在衬底表面沉积稠密银纳米粒子点阵。通过对纳米粒子覆盖率的精细控制与纳米粒子点阵消光谱的实时监测,实现了其表面等离激元共振峰频率的系统调控。随着Ag纳米粒子密度的增加,点阵的表面等离激元共振波长发生红移,可逐步由小于400nm增大到570nm以上。研究发现,表面等离激元共振波长的变化与随纳米粒子沉积量增加而增加的紧密相邻的纳米粒子对的百分数相关。