表面等离子体共振技术的一些新应用

介绍了表面等离子体共振技术在表面等离子体共振传感器、扫描近场光学显微技术、薄膜光学和膜厚测量、全息成像技术、Q开关、精密角度测量等领域的新应用.     

扫描近场光学显微镜的光耦合偶极子模型

为了研究扫描近场光学显微镜中探针和粗糙样品表面的耦合相互作用,提出了一种光耦合偶极子模型.在该模型中,探针和样品突起都由光极化偶极子表示,在准静态电磁场近似的情况下样品表面的诱导极化效应由影像偶极子表示,应用偶极子辐射理论可以得到系统的自洽场方程.此模型提供了一种直观分析扫描近场光学显微镜中探针和样品相互作用机理的方法.在此基础上,进一步讨论了金属样品的近场成像特点和其特有的局域光学共振现象.数值结果表明：不同于一般的介质样品,金属样品的近场图像与入射光频率直接相关,改变入射光的频率,获得的样品近场图像的形状和对比度都会发生变化.特别是当入射光频率处于样品极化共振范围内时,金属纳米粒子的极化率会出现光极化共振,这样就可以获得样品粒子的最大有效尺寸,为提高系统的分辨率提供了一条重要途径.     

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.     

纳米尺度的光学成像与纳米光谱———近场光学与近场光学显微镜的进展

近场光学是指当光探测器及探测器－样品间距均小于辐射波长条件下的光学现象．利用近场光学扫描显微镜和近场光谱仪，不但能够以突破衍射极限的超高分辨率在纳米尺度实现光学成像，而且还可获得纳米微区的光谱信息．文章介绍近场光学的原理及其在凝聚态物理领域中的应用与进展，并给出了我们的初步结果     

纳变尺度的光学成像与纳米光谱：近场光学与近场光学显微镜的进展

近场光学是指当光探测器及探测器一样品间距均小于辐射波长条件下的光学现象，利用近场光学扫描显微镜和近场光谱仪，不但能够以突破衍射极限的超高分辨率在纳米尺度实现光学成像，而且还可获得纳米微区的光谱信息，文章介绍近场光学的原理及其在凝聚态物理领域中的应用与进展，并给出了我们的初步结果。     

阴极荧光在表面等离激元研究领域的应用

表面等离激元以其独特的光学性质广泛应用于纳米尺度的局域电磁场增强、超高分辨成像及微弱光电探测.阴极荧光是电子与物质相互作用而产生的光学响应,利用电子束激发金属纳米结构能够实现局域等离激元共振,并在亚波长尺度实现对共振模式的调控,具有超高空间分辨的成像特点.阴极荧光探测通常结合扫描电子显微镜或透射电子显微镜而实现,目前己被应用于表面等离激元的探测及共振模式的分析.本文从阴极荧光物理机理出发,综述了单一金属纳米结构和金属耦合结构的等离激元共振模式阴极荧光研究进展,并总结了阴极荧光与角分辨、时间分辨以及电子能量损失谱等关键技术相结合的应用,进一步分析了其面临的关键问题,最后展望了阴极荧光等离激元研究方向.     

柱状磁光颗粒的局域表面等离激元共振及尺寸效应

柱状磁光颗粒的局域表面等离激元共振为二维磁光光子晶体的手征性边缘模的生成提供了重要的机制. 但目前对此类颗粒的局域表面等离激元共振效应的研究局限于长波长近似下的结果, 且缺乏对发生共振时的远场与近场特征的深入了解. 本文从散射理论出发, 计算并分析了柱状磁光颗粒发生局域表面等离激元共振的条件与特殊的场特征, 并讨论了颗粒尺寸对共振峰的影响. 计算结果解释了实验中观察到的二维磁光光子晶体的共振带隙与在长波长近似下得到的局域表面等离激元共振频率的明显偏移, 并展示了颗粒在较大尺寸下形成的高阶共振峰, 这可能有助于利用共振效应在磁光光子晶体中实现多模的手征边缘态.     

利用扫描近场红外显微镜对化学样品组分进行成像研究

介绍了用北京自由电子激光为光源的扫描近场红外显微镜对化学样品组分进行的成像研究，通过所得到的近场微区图像，可以对样品在微区范围内的成分组成，混合的均匀程度等作出比较清晰的判断. 关键词： 自由电子激光 近场光学 扫描近场红外显微镜     

基于半导体纳米线/锥形微光纤探针的被动式近场光学扫描成像

本文结合近场扫描结构和纳米线-微光纤耦合技术,提出了一种基于硫化镉纳米线/锥形微光纤探针结构的被动近场光学扫描成像系统.该系统采用被动式纳米探针,保留了纳米探针对样品表面反射光的强约束优势.其理论收集效率为4.65‰,相比于传统的金属镀膜近场探针收集效率提高了一个数量级,可有效地提高扫描探针对样品形貌信息的检测能力;而后通过硫化镉纳米线与微光纤之间高效的倏逝场耦合,将检测的光强信号传输到远场进行光电探测,最终实现对目标样品形貌的分析成像,其样品宽度测量误差在7.28%以内.该系统不需要外部激发光路,利用显微镜自身光源进行远场照明,被动扫描探针仅作为样品表面反射光的被动收集系统.本文基于半导体纳米线/锥形微光纤探针的被动式近场光学扫描成像方案,可有效地降低探针的制备难度和目标光场的检测难度,简化扫描成像的结构,为近场光学扫描显微系统之后的发展提供新的思路.     

基于半导体纳米线/锥形微光纤探针的被动式近场光学扫描成像

本文结合近场扫描结构和纳米线-微光纤耦合技术,提出了一种基于硫化镉纳米线/锥形微光纤探针结构的被动近场光学扫描成像系统.该系统采用被动式纳米探针,保留了纳米探针对样品表面反射光的强约束优势.其理论收集效率为4.65‰,相比于传统的金属镀膜近场探针收集效率提高了一个数量级,可有效地提高扫描探针对样品形貌信息的检测能力;而后通过硫化镉纳米线与微光纤之间高效的倏逝场耦合,将检测的光强信号传输到远场进行光电探测,最终实现对目标样品形貌的分析成像,其样品宽度测量误差在7.28%以内.该系统不需要外部激发光路,利用显微镜自身光源进行远场照明,被动扫描探针仅作为样品表面反射光的被动收集系统.本文基于半导体纳米线/锥形微光纤探针的被动式近场光学扫描成像方案,可有效地降低探针的制备难度和目标光场的检测难度,简化扫描成像的结构,为近场光学扫描显微系统之后的发展提供新的思路.     

Low-cost,high performance surface plasmon resonance-compatible films characterized by the surface plasmon resonance technique

A new analytical method based on the surface plasmon resonance (SPR) technique is presented, with which SPR curves for both wavelength and angular modulations can be obtained simultaneously via only a single scan of the incident angle. Using this method, the SPR responses of TiO2-coated Cu films are characterized in the wavelength range from 600 nm to 900 nm. For the first time, we determine the effective optical constants and the thicknesses of TiO2-coated Cu films using the SPR curves of wavelength modulation. The sensitivities of prism-based SPR refractive index sensors using TiO2-coated Cu films are investigated theoretically for both wavelength and angular modulations, the results show that in the case of sensitivity with wavelength modulation, TiO2-coated Cu films are not as good as the Au film, however, they are more suitable than the Au film for SPR refractive index sensors with angular modulation because a higher sensitivity can be achieved.     

Bimetallic Silver-Gold Film Waveguide Surface Plasmon Resonance Sensor

It is desirable that a surface plasmon resonance (SPR) sensor is highly sensitive to binding interactions within the sensing region, generate evanescent fields with long penetration depths, and utilize a metal film that is very stable even in extreme environmental conditions. In this study, we present the first example of a wavelength-modulated waveguide SPR sensor with a bimetallic silver-gold film for surface plasmon excitation. The underlying silver yields better evanescent field enhancement of the sensing surface, while the overlying gold ensures that the stability of the metallic film is not compromised. It is shown experimentally that in terms of dλ/dn, the bimetallic film waveguide SPR configuration has a sensitivity of 1232 nm/RIU, greater than two times improvement from the 594 nm/RIU achievable with single gold film waveguide SPR sensor. The higher sensitivity, compact nature, and better evanescent field enhancement of this configuration provides the potential to biosensing applications.     

Bimetallic Silver–Gold Film Waveguide Surface Plasmon Resonance Sensor

Abstract

It is desirable that a surface plasmon resonance (SPR) sensor is highly sensitive to binding interactions within the sensing region, generate evanescent fields with long penetration depths, and utilize a metal film that is very stable even in extreme environmental conditions. In this study, we present the first example of a wavelength-modulated waveguide SPR sensor with a bimetallic silver–gold film for surface plasmon excitation. The underlying silver yields better evanescent field enhancement of the sensing surface, while the overlying gold ensures that the stability of the metallic film is not compromised. It is shown experimentally that in terms of dλ/dn, the bimetallic film waveguide SPR configuration has a sensitivity of 1232 nm/RIU, greater than two times improvement from the 594 nm/RIU achievable with single gold film waveguide SPR sensor. The higher sensitivity, compact nature, and better evanescent field enhancement of this configuration provides the potential to biosensing applications.     

一种基于相位测量的角漂移自适应结构表面等离子体共振气体折射率测量系统

提出了一种可抑制角漂移的表面等离子体传感器结构,并结合相位测量设计了相应的气体折射率测量系统。分析表明激光入射角、金膜厚度以及反射光p、s分量的相位差与气体折射率之间的固有非线性是影响相位响应度与折射率测量精度的主要因素。计算表明所提出的自适应结构将角漂移引起的误差降低了一个数量级并很大程度提高了测量灵敏度。同时分析设计了金膜厚度参数,并评估了反射光p、s分量的相位差与气体折射率之间固有非线性带来的误差。应用于空气折射率的测量比对实验显示其测量精度达到了10-6量级。     

纳米金表面修饰与表面等离子体共振传感器的相互作用研究

为了分析纳米金表面修饰对表面等离子体共振(SPR)的放大作用,以及其对传感器本身的影响,首先,基于色散介质的吸收理论,通过建立波长型SPR生物传感器四层膜结构的数学模型,理论分析了传感器表面所吸附纳米金对传感器的影响:纳米金的表面修饰,改变了表面等离子体传感器中棱镜表面各介质层内电磁场的能量分布,削弱了金属膜在共振吸收中的作用,从而使SPR曲线的半波宽度增加,最小反射系数增大,金膜的最优膜厚度也随之改变.其次,通过不同厚度的金膜外吸附纳米金的对比试验,验证了此理论.金膜厚45nm、表面修饰10nm纳米金颗 关键词： 表面等离子体共振 生物传感器 纳米金 金属膜     

表面等离子体共振控制镜面反射率

对金属介电常数随温度变化的计算进行了修正,提出了利用表面等离子体共振(SPR)实现温度控制镜面反射率的方法。在Kretschmann结构中的金属膜上涂覆热光系数较大的聚合物材料,考虑该结构中各种材料介电常数以及金属膜厚度随温度的变化,利用特征矩阵法进行了数值模拟,得到SPR反射率曲线随温度的变化。模拟结果显示,当波长为532nm的p偏振光分别以70°和75°入射时,在10℃～90℃范围内调节温度,可实现反射率在52.8%～41.5%和31.1%～18.8%范围内的调节。     

偏振控制光强调制型点阵SPR传感器研究

介绍了一种偏振控制光强调制型点阵表面等离子体共振(SPR)传感器,分析了入射角度、金膜厚度、起偏器设置、光源波长及数据处理方式对传感器灵敏度和线性范围的影响,并对632.8 nm与740 nm两种光源传感器系统进行了实验测试与分析.结果表明,偏振控制光强调制型点阵SPR传感器可将光经过表面等离子体共振所产生的偏振态变化...     

基于表面等离子体共振和定向耦合的D形光子晶体光纤折射率和温度传感器

利用光子晶体光纤结构的灵活性和性能的优越性, 设计了一种基于D形光子晶体光纤的折射率和温度传感器. 在D形光子晶体光纤表面抛磨并镀上金纳米薄膜, 作为表面等离子体共振传感通道用来测量液体折射率; 在包层的一个空气孔中填充温敏液体甲苯, 作为定向耦合通道实现对温度的测量. 进一步的数值计算发现, 基于定向耦合效应的温度传感和基于表面等离子体共振的折射率传感相互独立, D形光子晶体光纤同时进行折射率和温度传感检测. 在各向异性的完美匹配层边界条件下利用全矢量有限元法对该传感器特性进行了数值研究, 发现D形光子晶体光纤的空气孔直径决定了定向耦合吸收峰的中心波长和温度传感的灵敏度, 金薄膜的厚度和D形结构的抛磨深度仅影响表面等离子体共振峰的相对强度. 结果表明: 该传感器在-10–80 ℃的温度范围内具有11.6 nm/℃的温度灵敏度, 在1.34–1.44折射率范围内折射率灵敏度最高可达26000 nm/RIU.     

Near-field optical observations of surface plasmon wave interference at subwavelength hole arrays perforated in Au film

We image optical near-field patterns at subwavelength circular hole arrays in Au film by using scanning near-field optical microscopy in near-infrared wavelengths.Periodical oscillation features are found in the near-field images at the air/Au interface and exhibit two typical kinds of standing wave oscillation forms at the wavelengths corresponding to the transmission minimum and maximum in the transmission spectrum,and the latter one originates from the excitation and interference of a surface plasmon wave at the metallic hole arrays.Our work indicates that monitoring optical near-field patterns can help to reveal many interesting properties of surface plasmon waves at metallic nanostructures and understand their underlying physical mechanisms.     

基于表面等离子体激元共振的飞秒抽运探测技术研究

对基于表面等离子体激元共振（SPR）的飞秒抽运探测技术进行了系统地数字分析.计算结果表明,利用SPR技术可将飞秒抽运探测信号强度ΔR/R提高2—3个数量级,其提高的比例依赖于金属膜的厚度和探测光的入射角,其中R和ΔR分别为探测光反射率的总量和变化量.特别地,对于金属-吸收介质体系,金属膜的介电常数变化对ΔR的影响仅为吸收介质影响的2%,所以ΔR/R主要反应吸收介质中的动力学过程,因此该技术对研究表面和界面的超 关键词： 超快光学 表面等离子体共振 飞秒抽运探测技术 信号强度