表面等离激元光镊技术

光镊是捕获与操纵微纳颗粒的重要技术手段,其基本原理为光与物质之间动量传递的力学效应,具有非接触、操纵精度高等优点,广泛应用于物理、化学、生物及医学等科学前沿领域。近年来,表面等离激元因具有突破衍射极限和近场能量增强两大特性,为光镊技术的发展带来了新的突破口,成为国际上一个重要和前沿的研究方向。基于表面等离激元的新型光镊技术主要分为两类:结构型表面等离激元光镊技术和全光调控型表面等离激元光镊技术,它们在颗粒捕获精度、捕获范围、操纵动态性与操纵自由度等方面各有特色,吸引了国际上众多研究人员进行大量的理论研究和实验探索。表面等离激元光镊技术在纳米颗粒、金属颗粒捕获以及近场电磁场增强与调控方面展现了独特优势,在生物传感、表面增强拉曼散射等领域具有广阔的应用前景。     

基于表面等离激元光镊的新型纳米热源研究

针对纳米尺度热现象研究的需求,基于表面等离激元光镊对金纳米颗粒的动态操控能力,设计了一种实时、动态、可控的纳米热源。利用有限元法对光镊系统中金纳米颗粒的光热效应与表面等离激元电磁场强度的关系进行了模拟,阐明了由于表面等离激元和局域表面等离激元的耦合作用导致的电磁场能量聚集和增强,以及同时实现的金属纳米颗粒的光热效应;分析了在该光镊系统捕获金属颗粒过程中颗粒所产生的热效应,并由此得到了实时控制纳米热源热功率的方法。在理论研究的基础上设计实验并证实了该光镊系统中金纳米颗粒基于光热效应的加热能力。结合表面等离激元光镊系统对纳米热源的精确定位操控能力,该系统为纳米尺度热现象的研究提供了灵活而可靠的手段。     

矩形纳米狭缝超表面结构的近场增强聚焦调控

为了实现对入射光的近场亚波长增强聚焦,设计了一种由内部矩形纳米狭缝圆环阵列和外部多圆环狭缝构成的超表面结构,得到了该结构激发的表面等离激元电场表达式,并从物理机理上解释了该结构中心聚焦及增强聚焦的原理.利用时域有限差分方法仿真研究了该超表面结构在不同偏振态入射光下的激发场聚焦特性.根据理论推导与仿真结果可得,该结构在波长为980 nm的圆偏振光入射下于近场的金属表面结构中心处生成半高宽为650 nm左右的亚波长聚焦光斑,其场分布为近似的第一类贝塞尔函数.与单一的矩形纳米狭缝圆环阵列结构相比,带有外部多圆环狭缝的复合结构具有更好的增强聚焦效果,使得中心焦斑强度提升了一倍,且更有利于对激发场进行调控.除此之外,还讨论了任意偏振方向的线偏振光入射结构激发的电场,得到了电场的解析表达式,即入射光偏振角的正弦函数包络乘上第一类贝塞尔函数.本文的研究对基于超表面结构的亚波长光调控有一定的指导意义,在光镊、亚波长尺度光信息传输与处理等领域也有一定的应用价值.     

径向偏振光束激发的金属纳米球-纳米圆盘间隙模式等离激元共振光谱特性研究

提出了一种可用于表面增强拉曼测量的基于金属纳米圆盘上方放置金属纳米球颗粒构成的金属纳米结构，其在径向偏振光束激发下，由于金属纳米圆盘的呼吸模式表面等离激元共振的作用，可以形成纵向电场有效增强的间隙模式等离激元共振。对此进行了有限元模拟计算研究，计算结果证明该间隙模式的纵向电场分量相对于径向偏振入射光的有效激发横向电场分量增强了100倍以上。为了更清晰地展现这种新型纳米结构的光谱特性以及表面电场分布特征，同时对单个金属纳米圆盘，单个金属纳米球，金属薄膜，金属纳米球-金属薄膜这几种纳米结构在同一个模拟计算框架下进行了计算以及比较分析。由于可以把金属纳米球类比为金属探针的尖端，所提出的新型间隙模式也有望在针尖型拉曼增强中得到应用。     

基于空间光场调控技术的光学微操纵

光镊技术具有无机械接触与高精度操纵微小尺度粒子的优点,自发明以来已逐渐成为生命科学和胶体物理学等领域中强有力的研究工具。随着研究的深入,传统的单光阱光镊已难以满足更高级的应用需求。近年来,空间光场调控技术通过对光场的振幅、相位和偏振态分布的调制,极大地丰富和增强了光学微操纵技术的功能,促进了包括激光微纳加工、微粒分选与输运、胶体粒子物理特性研究等方面的发展。从光场的振幅、相位和偏振态调制技术出发,综述近年来空间光场调控技术的发展及其在光学微操纵中的应用,重点介绍全息光镊、特殊模式光束微操纵、矢量光场微操纵等光学微操纵技术的研究进展。     

金属表面等离激元耦合理论研究进展

金属表面等离激元作为一种微纳米结构中自由电子在光场作用下的集体振荡效应,由于其振荡电场被强烈地束缚在亚波长尺度范围内,可以作为未来微纳米光子回路及器件的信息载体,同时也可以在微纳米尺度上增强光与物质的相互作用.本文首先系统地从理论上总结金属与入射电磁波相互作用时的光学行为及性质,然后简述激发金属中不同等离激元模式的物理本质、金属表面等离激元振荡动力学过程及当前表面等离激元耦合理论的最新进展.     

阿基米德螺旋微纳结构中的表面等离激元聚焦

研究光在微纳结构中的分布与传播, 实现在纳米范围内操纵光子, 对于微型光学芯片的设计有着重要意义. 本文利用聚焦离子束刻蚀方法, 在基底为石英玻璃的150 nm厚金膜上刻制了不同参数的阿基米德螺旋微纳狭缝结构, 通过改变入射光波长、手性、及螺旋结构手性和螺距等方式, 在理论和实验上系统地研究了阿基米德螺旋微纳结构中的表面等离激元聚焦性质. 我们发现, 除了入射激光偏振态、螺旋结构手性之外, 结构螺距与表面等离激元波长的比值也可以用来控制结构表面电场分布, 进而在结构中心形成0阶、1阶乃至更高阶符合隐失贝塞尔函数的涡旋电场. 通过相位分析, 我们对涡旋电场的成因进行了解释. 并利用有限时域差分的模拟方法计算了不同螺距时, 结构中形成的电场及相应空间相位分布. 最后利用扫描近场光学显微镜, 观测结构中不同的光场分布, 在结构中心得到了亚波长的聚焦光斑及符合不同阶贝塞尔函数的涡旋形表面等离激元聚焦环.     

金属纳米球-纳米圆盘结构中表面等离激元共振模式的电磁场增强研究

表面等离激元自诞生以来已有一百多年的历史,并逐渐形成了一门新的学科——表面等离激元光子学.位于金属纳米结构中的局域表面等离激元可产生非常显著的近表面电场增强,并成功应用于诸多研究领域当中,而对局域表面等离激元与外界入射光中磁场的相互作用的研究则相对较少.该研究在前期已有的研究基础之上模拟计算了金属纳米球-纳米圆盘结构间...     

基于有限元仿真的硅基纳米光镊结构的设计

针对金属表面等离激元光镊热损耗问题,设计了一种硅基双纳米柱加纳米环的光镊结构.通过有限元仿真在1 064nm入射光场下计算了三种不同硅基纳米结构(硅基纳米球、纳米柱、纳米环)的场增强效果.利用硅基纳米结构光学共振机理,设计了一种电场增强倍数达到7.39倍的硅基双纳米柱光镊结构.在此基础上,增加纳米环使光镊结构的环中心与双纳米柱间隙产生光学共振耦合现象,得到的电场增强倍数高达11.9倍,形成了稳定的光学势阱.最后采用麦克斯韦应力张量法对硅基光镊中不同直径的聚苯乙烯小球进行了捕获分析,并在x、y、z方向上计算分析了直径为25nm的聚苯乙烯小球在不同位置的捕获力、捕获势能以及捕获刚度.设计的硅基纳米双圆柱加纳米环的光镊结构能够对聚苯乙烯小球起到良好的捕获效果.     

金薄膜衬底上介质-金属核壳结构的光学力调控

采用时域有限差分法和麦克斯韦应力张量法,系统研究了金薄膜衬底上介质-金属核壳结构所受的光学力.研究结果表明:由于核壳结构与衬底之间强的等离激元模式杂化效应,其所受的光学力相较于单个核壳结构实现了一个数量级的增强;同时,通过改变激发波长,实现了局域电场分布的调控,以此观察到了核壳结构光学力方向的可控反转;进一步,详细分析了核壳结构所受光学力随其到衬底间距、内核介质的尺寸及折射率等的变化关系,以此丰富了光学力大小、方向和峰值波长的调控方法.研究结果可为精确控制颗粒/金属薄膜纳米腔的尺寸提供一种新的途径,并为调控单分子级的光与物质相互作用、研发新型纳米光子器件提供有益参考.     

金膜上亚波长小孔阵列表面等离激元颜色滤波器偏振性质

金属薄膜上制备的表面等离激元颜色滤波器具有很强的颜色可调性. 在200 nm厚的金膜上, 通过聚焦离子束刻蚀, 制备一系列周期逐渐变化的圆形、方形、矩形亚波长尺寸小孔方阵列表面等离激元颜色滤波器, 改变入射光的偏振方向, 观察其超透射滤波现象. 研究发现: 对于矩形小孔阵列, 其透射光颜色随入射光偏振方向的变化而改变; 而对于圆形、方形的小孔阵列, 其透射光颜色对入射光的偏振方向并不敏感. 分析表明, 对于金膜上刻蚀的小孔结构, 虽然结构的周期性导致的表面等离激元极化子会对透射光的颜色变化产生一定影响, 但是随小孔形状变化的局域表面等离激元共振才是影响透射光颜色的决定性因素. 如果入射光没有在小孔中激发出局域表面等离激元, 则表面等离激元极化子对透射光的影响也会消失. 根据不同形状小孔周期结构透射光颜色随入射光的偏振变化特点, 制备出了包含两种小孔形状的复合周期结构. 随着入射光偏振方向的改变, 该结构会显示出不同的颜色图案. 关键词： 表面等离激元极化子 局域表面等离激元 颜色滤波器 亚波长小孔阵列     

表面等离激元增强型光电探测器研究进展

光电探测器可以实现光信号到电信号的转换,在工业、军事、医疗等领域已展现出巨大的应用价值。但是,传统的平直型光电探测器捕获线光的能力较弱,一定程度上限制了响应率等性能指标的进一步提高。而基于贵金属纳米结构的表面等离激元共振可以急剧增强近场区域的(纳米尺度)电场强度和对线光的捕获能力,大幅度地提高光电探测器性能。本文首先介绍了表面等离激元的基本原理。随后,详细介绍了金属纳米颗粒、金属光栅等不同结构的表面等离激元增强型光电探测器研究进展。最后,总结全文并针对表面等离激元增强型光电探测器的发展前景做出了展望。     

金属纳米颗粒等离激元共振增强非线性介质谐波的发展现状

随着纳米加工和制备技术的不断发展,金属纳米粒子的等离激元光学特性已得到了广泛的研究与应用。本文基于金属纳米颗粒等离激元共振特性,分析了金属纳米颗粒等离激元共振对介质谐波的增强机制,综述了该增强机制在近几年所取得的最新研究成果及其在生物成像领域的应用。金属纳米颗粒等离激元共振在增强介质非线性特性领域的发展趋势是从简单的金属纳米颗粒向复杂形状纳米颗粒和金属纳米颗粒组装体的发展,这些新型金属纳米颗粒在非线性光学、生物医学上的疾病诊断和治疗有良好的实际应用前景。     

基于金属表面等离子激元控制光束的新进展

表面等离子激元(Surface plasmon polaritons,SPPs)是一种在金属-介质界面上激发并耦合电荷密度起伏的电磁振荡,具有近场增强、表面受限、短波长等特性,在纳米光子学的研究中扮演着重要角色。近年来表面等离子光学和基于SPPs的纳米光子器件的研究引起了国际上科学家们的广泛关注。讨论了SPPs的基本原理和在亚波长结构下的光学特性,介绍了基于亚波长金属结构的表面等离子激元在空间光束准直与聚焦、平面内光束聚焦与传导和在近场纳米光束的控制等方面的研究情况,以及在纳米光子学器件中的潜在应用。     

近场光镊技术研究新进展

光镊技术,又称光学捕获技术,它是利用光的辐射压力来捕获和操纵包括电介质颗粒、生物细胞及生物大分子在内的微小粒子的。近场光镊技术利用近场光学倏逝场随距离急剧衰减的特征,可显著地降低捕获粒子的尺寸,实现纳米捕获。追踪了近场光镊技术的最新进展,包括全内反射相干倏逝场、近场光学镀膜光纤探针尖、激光照明金属探针尖和聚焦倏逝场用于近场光学捕获,并对其进行了比较,分析了它们存在的主要问题和未来发展方向。     

飞秒传输表面等离激元的近场成像表征与激发效率的调控

飞秒传输表面等离激元(femtosecond propagating surface plasmon, fs-PSP)的近场成像表征和激发效率的主动控制是实现其应用的先决条件.本文利用光发射电子显微镜对银纳米薄膜上刻蚀的凹槽耦合结构处激发的fs-PSP进行近场成像.并系统测量了入射激光波长在720—900 nm范围内fs-PSP近电场与入射激光场干涉信号的周期和fs-PSP的波长.在此基础上,进一步利用飞秒双光束泵浦-探测实验证实了调节入射激光的偏振方向可实现对fs-PSP激发效率的调控.由实验结果可知,当入射激光偏振接近0°(P偏振)时, fs-PSP的激发效率最高,当入射光偏振接近90°(S偏振)时, fs-PSP的激发效率最低.相较于有限时域差分方法模拟,在飞秒双光束泵浦-探测实验中归一化光发射电子产额随入射激光偏振方向变化的曲线出现平台区,我们把这一现象归因于探测激光的背景噪声淹没了fs-PSP激发效率的变化.该研究为实现fs-PSP激发效率的工程性调控和优化等离激元器件的性能奠定了基础.     

金局域表面等离激元增强砷化镓发光特性

研究了金纳米颗粒局域表面等离激元共振耦合效应,并实现了砷化镓薄膜的近场发光增强.通过理论计算金纳米颗粒的吸收光谱及电场分布,分析金属纳米颗粒形貌尺寸的改变对等离激元共振频率调控及局域场增强效果的影响,模拟半径为50nm的金颗粒并实现了35倍近场增强效果.通过对双球型的模拟,分析了一种金纳米颗粒增强GaAs的积极方式,即密集颗粒之间的近场耦合形成的"hotspots".此外,研究了不同溅射时间及快速退火对金纳米颗粒吸收特性的影响,发现金纳米颗粒吸收峰位主要位于560～680nm波段,而且随着溅射时间的增加发生红移现象.经过快速退火处理后,金纳米颗粒吸收峰位蓝移到510～550nm波段,形成与532nm激发波长相匹配的共振吸收峰.最后,实现砷化镓薄膜9.6倍的光致发光增强.     

纳米银线波导中表面等离极化波激发和辐射的偏振特性研究术

在可见光波段（λ=750nm）,实验研究了在端面辅助情况下,细纳米银线波导中表面等离极化波激发和辐射的偏振特性．实验发现在细纳米银线中,不同偏振态的入射光对应的表面等离极化激元的激发和传输效率有明显不同,但对应的出射光始终为方向恒定的线偏振光．对于化学合成的纳米银线,端面的轴对称性普遍比较好,对此类纳米银线进行激发时,如果入射光偏振态与纳米线近似平行,则激发和传输表面等离极化激元的效率最高;如果正交,激发和传输效率则最低．对于某些端面轴对称性较差的纳米银线,如端面为尖端或类斜面,当入射光偏振态与纳米线有一定夹角时,激发和传输表面等离极化激元的效率最高．在入射光偏振改变的过程中出射光的偏振方向始终与纳米银线平行．最后结合有限元差分方法理论解释了纳米银线中这种偏振特性的物理机理．利用纳米银线中表面等离极化激元激发和辐射的偏振特性,可以在亚波长尺寸上实现对光强和偏振态的调控．     

偏振方向及结构间耦合作用对空心方形银纳米结构表面等离子体共振的影响

空心方形纳米结构能够激发更大面积的增强电场,故其可以作为衬底用于表面增强拉曼散射.应用离散偶极子近似算法研究了空心方形银纳米结构的消光光谱及其近场电场分布与入射光偏振方向之间的关系.研究表明,空心方形银纳米结构的表面等离子体共振峰不随入射光偏振方向的改变而移动,但是其表面增强电场分布却强烈地依赖于入射光的偏振方向.另外,还讨论了空心方形银纳米结构间的耦合作用对其表面等离子体共振模式的影响.结果发现,可以通过调节结构间的距离来改变结构间的耦合作用,同时改变了表面等离子体共振峰的位置.这些结果将为理解闭合纳米 关键词： 空心方形银纳米结构 表面等离子体 偏振 电场耦合     

纳米集成光路中的光源、光波导和光增强

使用近场光学显微术(scanning near-field optical microscopy, SNOM)研究了ZnO亚微米线端面出射性质,不同空间形貌Ⅱ-Ⅵ族半导体荧光器件光波导特性,二维光子晶体、准晶光子晶体对LED的出射增强作用以及表面等离激元(surface plasmon polariton, SPP)与半导体纳米荧光器件的相互作用,对纳米集成光路中的光源、光波导、光增强三个重要问题做了实验和理论上的分析.研究发现半导体微纳米线端面出射光束的质量与样品的直径有密切关系.通过合理地设计其直径和 关键词： 纳米集成光路 扫描近场光学显微术 光波导 光增强