纳米银局域表面等离激元共振——环境传感、分子识别及光物质相互作用增强

基于利用磁控溅射方法制备的纳米银颗粒,研究了纳米银颗粒局域表面等离激元对介质环境的敏感程度,作为媒介提高光与物质相互作用的可能性.研究结果表明:传感灵敏度最大可达到约931 nm/RIU,石墨烯拉曼信号可提高约40倍,可见光吸收提高约10倍.该研究表明制备简单、光学响应灵敏的纳米银颗粒在传感、光电探测及分子识别等领域具有潜在的应用价值.     

基于石墨烯复合薄膜的等离激元传感研究进展

 做为由单层碳原子紧密堆积而成的六边形蜂窝状二维晶体,石墨烯具有高载流子迁移率、良好的生物兼容性和优异的化学稳定性。本文简要综述了石墨烯-金属纳米粒子复合薄膜在表面增强拉曼散射研究进展,以及石墨烯等离激元的激发方式和传感性能。在可见光波段,石墨烯和金属纳米粒子之间的耦合使复合薄膜具有强的光学吸收和局域电场增强,从而使复合薄膜可以作为高灵敏的表面增强拉曼基底。在中红外波段,除可以利用石墨烯微纳结构激发等离激元,还可以对介电基底进行微纳加工利用波导模式激发,使得石墨烯等离激元可能用于折射率传感。讨论了石墨烯基复合薄膜研究过程中面临的机遇和挑战,展望了其在表面增强拉曼和传感方面的应用前景。     

手性等离激元纳米结构制备及其应用

手性是自然界物质普遍存在的特征.手性等离激元纳米结构因其优异的光学活性近年受到业界广泛关注.介绍了手性的基本概念和表征方法,综述了3种常用的产生等离激元圆二色响应的纳米结构及其制备方法,总结了其在多方面的应用.纳米制造技术的发展促进了复杂的手性等离激元纳米结构"自上而下"的合成,与此相对应,手性模板和手性分子诱导的手性转移,则为手性纳米结构"自下而上"的湿化学合成提供了多种可行性.具有手性光学响应的等离激元纳米结构主要有3种类型.利用手性分子和非手性等离激元纳米颗粒之间的偶极—偶极相互作用可诱导PCD,但手性响应通常较弱.具有手性形状的单个纳米结构及非手性等离激元纳米颗粒构成的手性组装结构则可产生强烈的手性光学响应.手性等离激元纳米结构在手性光学器件、手性物质检测、手性催化和生物医学等方面展现了广阔的应用前景.     

基于等离激元微纳结构的太阳能界面光蒸汽转换

作为人工微纳结构与光热转换的融合,太阳能光蒸汽转换成为近年来太阳能热利用领域的研究热点之一.基于人工微纳结构的等离激元吸收体,能够在整个太阳光谱范围内实现高效的光子捕获.等离激元吸收体表面和内部的光致局域加热,促成了高效的液气相变.与碳基吸收体相比,等离激元吸收体不但可将入射太阳光局域在亚波长尺度内,形成致密的热点,而且其吸收光谱可灵活调控.围绕等离激元吸收体的光蒸汽转换体系,还具有热响应快、材料抗腐蚀、可回收等优势,可用于海水淡化、污水处理、灭菌消毒等水处理领域.本文从光吸收和热局域两个角度阐述了等离激元光蒸汽转换系统的设计与优化,并对其应用前景作了展望.     

超平整、低损耗表面等离激元贵金属薄膜的制备、表征与应用

由于对电磁场巨大的局域化共振增强和调控作用,表面等离激元自发现之初就成为微纳光学领域的研究热点之一,在很多纳米尺度器件应用方面颇具潜力.然而,长期以来表面等离激元的实际应用受到样品制备技术的显著限制,超平整、低损耗贵金属薄膜的低成本制备技术的缺乏不仅阻碍了其实验研究的进展,更限制了表面等离激元材料在多个领域内的应用发展.随着各项制备和表征技术的发展,贵金属薄膜的平整度和光学特性逐渐从理论期望走向实际使用,从随机制备后选取逐步变为精确调控的薄膜生长.本文从制备、表征和应用三个方面出发,系统地介绍了当前贵金属超平整表面等离激元薄膜的研究进展与前沿应用.     

表面增强的手性分子光谱研究进展

手性普遍存在于自然界中,分子的手性直接决定了其物理和化学性质.分子手性的有效探测和表征对制药、化工、生物工程等领域的发展至关重要.现有的手性探测手段普遍具有信号小、抗噪声能力弱的缺点.如何实现快速敏感的分子手性探测是一个重要的问题.表面增强的光谱探测技术可以利用合理设计的微纳结构实现强的局域电磁场,进而增强分子与光的手性相互作用,从而有效提高手性分子检测灵敏度.近些年,人们在这方面进行了很多研究,在圆二色谱(CD谱)、振动圆二色谱(VCD谱)以及拉曼光活性谱(ROA谱)增强方面取得了一系列研究成果.本文主要从金属和介电微纳结构两方面介绍了表面增强的CD谱、VCD谱、ROA谱探测技术.金属微纳结构可以产生局域等离激元共振,在其微纳结构附近诱导出超手征场,从而增强手性分子与金属微纳结构表面近场的相互作用,提高分子手性检测的灵敏度.而介电材料不仅支持电多极共振,同时还支持磁多极共振,使得其结构表面可以产生符号均匀的超手征场,十分有利于分子手性的探测.此外,介电结构在进行手性检测时产生的热量更小,在手性增强方面有非常重要的应用.表面增强的光谱探测技术在分子手性信号增强方面的优越表现,有望实现手性分子的超敏检测,从而解决现有手性检测方面的难题.     

基于纳米颗粒阵列与法布里-珀罗干涉结构的超灵敏传感器设计

当前的等离激元传感主要基于表面等离极化激元和局域表面等离激元共振两种模式.然而基于表面等离极化激元的传感需要精确的入射角度及多种光学元器件的配合方能使用;而基于局域表面等离激元共振的传感由于共振线宽较宽导致其灵敏度和品质因数(figure of merit,FOM)不够高.设计了一种基于纳米颗粒/间隔层/反射层结构的具有超高灵敏度和FOM的折射率传感器.由于表面等离激元晶格模式与局域表面等离激元共振以及法布里-珀罗干涉的相互作用,器件的反射光谱具有一个超窄反射峰.利用这个反射峰实现传感,其灵敏度达到500 nm/RIU,FOM达到625.进一步分析表明,此传感器在不同结构与激发参数下都具有很好的传感灵敏度.该研究结果对高灵敏等离激元传感器设计具有重要参考意义.     

新型等离激元光学和过渡金属二硫化物复合体系

过渡金属二硫化物(Transition Metal Dichalcogenides, TMDs)以其优异的光电子学特性,在诸如光捕获、光电探测、光电晶体管、发光二极管以及纳米激光器等领域中展现出了强大的应用潜力,成为当前研究前沿热点之一.少层TMDs材料的带隙处于可见和近红外区间,其激子在室温下具有很大的束缚能、高谐振子强度,且单层TMDs由于空间反演对称性的破缺具有能谷选择的圆二色性等,这些特性使得TMDs材料格外引人注目.金属纳米结构的表面等离激元具有亚波长的光局域特性,可通过合理的结构设计实现对其共振波长、频谱宽度、近场增强倍数、远场辐射特性的灵活控制.将等离激元光学结构和过渡金属二硫化物相结合可大幅拓宽纳米光子学前沿基础问题研究与纳米光电器件的设计应用.本文综述了表面等离激元和TMDs材料复合体系的最新研究进展,着重阐述了为何这类复合体系能够提供他们各自体系所不能具有的特性.比如,表面等离激元的近场增强(场局域)效应可极大增强许多纳米光学系统中的光与物质相互作用强度,可用于对TMDs材料的光吸收、光发射、光电流以及非线性光学等过程进行调制. TMDs材料具备的受外界环境调控的强激子效应和能谷选择的圆二色性等特性,可为表面等离激元纳米结构提供丰富的主动调制手段与能谷自由度.最后展望了该新型复合体系未来的研究方向和机遇.     

基于表面等离激元的量子相干效应的理论研究

起源于金属中自由电子集体振荡的表面等离激元,具有超小的光学模式体积和亚波长局域的近场增益,为纳米尺度上研究光和物质相互作用带来新的机遇．共振的纳米金属结构的近场区域,具有各向异性的珀塞尔系数,并且可以为量子体系提供近场激发．我们理论上演示了基于表面等离激元结构的单分子共振荧光、原子布居数的本征量子拍频及其在表面等离激元结构中的纳米尺度上的实现、表面等离激元诱导的各向异性珀塞尔系数导致的亚波长尺度自发辐射谱线的变化．这些结果在超紧凑的有源量子器件中有潜在应用．     

MSPs单向传输性能在光学隔离上的应用研究

磁表面等离激元(MSPs)可利用光子和半导体材料里的电子在纳米尺度的相互作用,将光场分布限制在远小于光波长的尺度之内,解决了因波长造成的光子器件与电子器件之间的尺寸差别问题,用其在亚波长尺度内的约束和局域特性,可将光波导的尺寸缩减到微纳量级,使光学芯片的集成度大大提高.计算了半导体-介质-金属(SDM)三层堆叠结构上MSPs单向传播的频带范围,指出只需常规磁场强度就可在SDM结构上实现太赫兹波段的MSPs单向传播机制,同时讨论了MSPs作为光学隔离器的潜在应用.     

不对称纳米环/椭球二聚体的高阶表面等离激元共振特性

基于三维有限元法,研究了不对称纳米环/椭球二聚体的表面等离激元共振和局域场增强光学特性。结果可得可调的高阶表面等离激元共振,这样的高阶共振源于纳米环和纳米椭球之间的等离激元耦合。同时,在两个纳米结构耦合下,在纳米椭球上可以观察到环形电流,其产生了增强的局域电磁场。数值模拟结果表明,纳米环/椭球二聚体的偏心方向和偏心率对表面等离激元共振有着重要的影响。此结果在表面增强光谱学和生物传感方面都有着潜在的应用。     

局域表面等离激元增强红外吸收

红外吸收光谱是探测和鉴定分子的有效工具,然而其应用受到分子低红外吸收截面的限制.金属或高掺杂半导体纳米材料的局域表面等离激元能够产生极大的局域电磁场增强.当分子红外振动与局域表面等离激元发生耦合共振时,分子的振动信号会被极大增强,可实现对目标分子的微量甚至痕量检测.由于其在化学、生物和医药等方面的巨大应用前景,近年来局域表面等离激元增强红外吸收引起了人们的广泛关注.本文首先介绍了表面等离激元增强红外吸收效应的产生机理和理论模型,在此基础上重点讨论了几类不同结构和组分的可实现表面等离激元增强红外吸收的纳米材料的制备方法和增强效果,最后总结了该效应在光谱成像、生物分子检测、环境污染物监测和气体检测等诸多方面的重要应用.     

激子极化激元光子学研究进展

研究光与物质相互作用是腔量子电动力学的一个重要方向.早在20世纪50年代,黄昆先生就提出了固体环境中的光子与晶格连续作用的时间演化图像,并指出光子-声子时间上连续不断的相互转化会在物质中形成声子极化激元波,从理论上计算了声子极化激元波的色散关系.Hopfield把这种图像推广到半导体环境中的光子-激子作用上.随后人们在微腔中实现了单原子、单量子点激子的真空拉比振荡.随着半导体微腔生长和微纳加工工艺的提高,激子极化激元的凝聚、超流、涡旋等宏观量子态被实验证明.通过控制微腔结构和光场调控的手段,人们进一步实现了对宏观量子态的相干调控.有机半导体、钙钛矿、二维半导体等新材料体系展现了极大的激子束缚能,有望实现室温量子器件的制备.微腔激子极化激元的研究进入了黄金时代.本文首先从激子极化激元的基本图像入手,详细介绍激子极化激元的概念、色散关系以及常见的激子极化激元体系.其次,总结了研究微腔激子极化激元的材料体系和实验方法,详细介绍了平板微腔和微纳材料自构型微腔的工作原理和具体实例,以及共焦显微荧光光谱和角分辨荧光光谱.第三,对激子极化激元的量子调控进行了总结.详细介绍了激子极化激元的重要宏观量子态以及通过微纳加工和光场调控的方式对宏观量子态的操控.具体分析了两个量子态操控的实例,包括氧化锌超晶格中多重量子态的制备以及凝聚体的参量散射过程.第四,对新型材料中激子极化激元的研究进行了总结,包括二维半导体、有机半导体和钙钛矿.最后,对本文进行总结,并且从理论、实验的角度分别预测了该领域的发展趋势.     

表面等离激元光学力研究进展

当一束光照射在物质上,光子与物质发生动量交换,部分动量转移到物质,等效于对物质产生作用力,称为光学力.这一作用力非常弱,一般在pN甚至更小的量级,但一定条件下,仍足以捕获和操纵纳米、微米尺度的物体.在金属纳米结构中,由于表面等离激元共振效应,诱导的局域电场可以产生增强的光学力,可以在亚波长尺度实现光操纵,并且由此衍生出一个极具吸引力的研究方向——表面等离激元光学力.本文介绍了利用金属纳米结构进行表面等离激元光学力操纵的最新研究进展.     

非线性光学研究新进展

非线性光学的研究包括从物质与激发的相互作用的基本原理到用于光通信、医疗及生物技术的设备、元件和系统的研究。近些年来,围绕非线性光学的基础理论与应用研究主要集中源技术、光通信技术及材料的非线性调控等几个方面。在激光光源方面,强场和阿秒非线性光学得到了广泛的研究,白光激光光源也得到了人们的关注;在光通信领域,通过微纳结构光波导的设计来调控其色散特性,达到信号无损传输或光路集成的应用目的;而光学非线性研究离不开材料,因此,微腔和表面等离子体调控光学非线性成为人们研究的热点。     

石墨烯微米带THz SPPs的激发及场分布特性研究

表面等离激元可以突破衍射极限,具有强局域性,在传感、起偏、吸收、分束等方面具有广泛的应用前景.目前,太赫兹波段的表面等离激元器件研究大多是在远场光谱方面,其近场特性的研究有待更进一步深入.本文基于石墨烯微米带结构,研究了太赫兹表面等离激元的激发及场分布特性.本文设计了能够通过太赫兹波激发表面等离激元的石墨烯微米带结构,数值计算了其表面等离激元的场分布,并制备了石墨烯微米带器件,利用透射式太赫兹近场显微镜激发并测量了石墨烯微米带的表面等离激元,对共振失谐对等离激元场分布的影响进行了探究.研究结果为石墨烯表面等离激元器件在太赫兹生物传感、安全检测、高数据率通信等方面的应用提供了相关指导.     

2013-17 科技要闻

实现最高分辨率单分子拉曼成像中国科学技术大学侯建国等在国际上首次实现亚纳米分辨的单分子光学拉曼成像,将具有化学识别能力的空间成像分辨率提高到前所未有的0.5nm。研究团队一直致力于自主研制科研装备,发展了将高分辨扫描隧道显微技术与高灵敏光学检测技术融为一体的联用系统。利用针尖与衬底之间形成的纳腔等离激元"天线"的宽频、局域与增强特性,通过与入射光激发和分子拉曼光子发射发生双重共振的频谱匹     

第4届纳米光纤及应用国际学术研讨会

正第4届纳米光纤及应用国际学术研讨会(ONNA2016)经过组委会一年多的积极准备于2016年10月23~26日在浙江大学召开。此次会议的主题为"纳米光纤在量子光学、微纳光子学及光学传感等领域的应用"。作为光纤光学与纳米技术的完美结合,微纳光纤是近年来发展起来的光纤光学及微纳光子学等领域的前沿研究方向之一。与传统光纤相比,微纳光纤的直径通常接近或小于传输的光波长,而且纤芯包     

2021年光学热点回眸

回顾了光学领域在2021年的重大进展,盘点了微纳光学、强激光与超快光学、超分辨与成像技术、量子计算与光通信、生物光子学、量子光学、光学探测与整形、涡旋光、孤子光学、人工智能、光学传感、太赫兹光学、光伏光电、照明显示和拓扑光子学等15个光学技术研究领域的重大进展,探讨了其在未来可能会对人类生存及生活方式产生的巨大影响.     

基于金属-介质-金属圆柱体微腔的光的强局域和高吸收特性（英文）

等离激元纳米结构能够把光场局域到非常小的空间,而应用在表面增强光谱、生物传感和太阳能电池等领域.我们设计了一种对光场具有高局域和强吸收特性的基于金-介质-金三明治结构的圆柱体微腔结构.计算结果显示:该圆柱微腔能够局域入射光的绝大部分能量,产生强的平均电磁场能量密度.微腔内的平均电磁场能量密度增强因子G达到10~3~10~4数量级,而且G值随着介质层的厚度、介电常数和圆饼半径的变化呈现出了一定的变化规律.在正入射波的条件下,经计算得到了4.8μm~6μm范围的反射光谱和吸收率C(C=1-R_(min)),通过优化介电常数和结构的几何参数,C值达到99%.