电子能量损失谱探测银纳米棒与介质层强耦合的数值模拟

表面等离激元与量子发射体间的强耦合现象通常通过散射、吸收以及荧光等远场光谱探测方法进行研究.利用高度聚焦的电子束,电子能量损失谱能够实现亚纳米尺度的局域探测,可以更加有效地研究强耦合现象.本文在理论上分别模拟了银纳米棒、介质材料以及介质层包裹银纳米棒复合结构的电子能量损失谱.得到了可以与实验结果比拟的银纳米棒表面等离激元的电子能量损失谱.在上述复合结构的电子能量损失谱中观察到了谱峰的拉比劈裂,探究了银纳米棒尺寸对拉比劈裂的影响.分别在红外、可见光波段讨论了介质层的元激发与银纳米棒偶极辐射及高阶非辐射表面等离激元模式间的强耦合现象,从损失谱的空间分布成像角度探讨了强耦合引起的杂化等离激子(plexciton)的形成.本研究对强耦合现象的进一步实验和理论研究具有指导意义.     

双纳米棒周期结构的吸收特性和折射率敏感特性研究

超材料完美吸收器在折射率传感器的研究中是非常重要的。利用时域有限差分方法,对表面等离激元结构进行仿真模拟。设计双纳米棒周期结构,根据阻抗匹配原理,优化顶层结构的参数,得到在波长12 mm左右时,结构对光波的吸收率达到99.6%。研究结构吸收光谱特性随结构周围空间介质折射率的变化,得到双纳米棒结构的灵敏度为4 008 nm/RIU,该结构可用来测量气体的折射率。     

具有金纳米小球覆盖的超导纳米线条的Ⅰ～Ⅴ特性

我们利用电磁场仿真软件CST分别对单个金纳米小球,单层纳米球和双层纳米球阵列在可见光波段的光吸收特性进行了仿真,所得结果与参考文献中实验数据一致,证明了方法的正确性.在此基础上对仿真结果进行了定性的分析,给出了影响纳米球等离激元谐振波长和吸收效率的因素.最后,我们将金纳米小球应用到超导单光子探测器中,测量了有金纳米颗粒和无金纳米颗粒时超导纳米线临界电流的变化,观察到金纳米颗粒表面等离激元共振引起的临界电流的大幅度变化,结合仿真,对实验测量结果给出了合理的解释.     

基于LabVIEW的表面等离激元共振测量液体折射率

利用LabVIEW编写硬件控制软件,搭建了基于表面等离激元共振原理的光强探测型液体折射率测量实验平台.实验测量纯水和纯酒精的表面等离激元共振的共振角分别与理论计算数据相吻合,证明该系统测量的共振角数值能正确地反映液体折射率的变化.利用该系统测量了不同浓度的酒精-水混合液的折射率.     

金纳米球壳对的局域表面等离激元共振特性分析

应用有限元方法, 研究金纳米球壳对的几何结构参数及物理参量对其表面等离激元共振的散射及消光光谱的影响, 并根据等离激元杂化理论进行了理论分析. 结果表明, 随着金壳厚度的增加, 金纳米球壳对的散射及消光共振峰先发生蓝移而后红移, 而随着金纳米球壳间隙的减小, 或者随着金纳米球壳的内核尺寸或内核介质折射率的增大, 散射及消光共振峰均发生红移; 随着金壳厚度或内核尺寸减小, 或者随着内核介质折射率增大, 金纳米球壳对的散射与消光共振强度减弱, 而随着金壳间隙的减小, 金纳米球壳对的散射共振强度先增强后减弱, 而消光共振强度逐渐增强, 数值模拟与理论分析一致.     

基于布儒斯特定律的分光仪测量玻璃折射率实验

光学材料折射率测量的常见方法有阿贝折射仪全反射法,分光仪最小偏向角法等.本文描述了运用布儒斯特定律在分光仪上测量折射率的新实验方法,并得到相关测量数据.     

用并行扫描方法开展的表面等离激元电子能谱成像

本文报道了高定向热解石墨上银纳米结构表面等离激元的电子能谱成像研究. 本文利用现有扫描探针电子能谱仪的角度色散特性,发展了一种多道测量模式. 通过沿一个方向扫描,可以并行获得银纳米结构表面等离激元电子能谱的二维分布. 实验确定的能谱成像空间分辨为80 nm左右.     

金纳米颗粒等离激元对不同形貌氧化锌薄膜发光性能的调控

采用化学气相沉积法制备了纳米棒状的氧化锌纳米结构薄膜和没有纳米棒的氧化锌薄膜,通过直流溅射在所制备的有纳米棒和没有纳米棒的氧化锌薄膜上淀积约3 nm厚的金纳米颗粒薄膜,研究了金纳米颗粒对不同表面形貌氧化锌薄膜的发光特性的影响。实验发现金纳米颗粒的存在使具有纳米棒的氧化锌薄膜的紫外发射增强,但使来自缺陷的可见光发射受到很大的抑制。通过比较有纳米棒和没有纳米棒的氧化锌薄膜在镀金纳米颗粒前后的发光特性,发现金表面等离激元对氧化锌发光的调控取决于氧化锌的表面形貌,纳米棒的存在更有利于金纳米颗粒等离激元调控氧化锌的发光特性。     

金纳米棒二聚体结构的Fano共振

等离激元金属纳米结构中的Fano共振，由于其在超灵敏传感、超材料、光开关和非线性光学器件等方面的潜在应用而引起了广泛的关注。但在单颗粒尺度下单个金属纳米二聚体结构的Fano共振的实验研究仍然很少。本研究基于单颗粒光谱技术从实验上探讨了二聚体结构产生的Fano共振现象。利用种子生长法制备了等离激元共振峰分别在1 060 nm和700 nm的一长一短金纳米棒，通过L-半胱氨酸分子的静电吸附自组装构建首尾相连的金纳米棒二聚体结构，在暗场显微系统中表征了金纳米棒二聚体耦合前后的散射光谱。结果表明，短金纳米棒的明偶极模式与长金纳米棒的暗四极模式间的相消干涉在660 nm处产生了明显的Fano共振谷，同时基于有限差分时域（FDTD）方法的理论模拟散射光谱与实验结果能够较好地符合。这种自组装金纳米棒二聚体在等离激元传感和探测等方面具有广阔的应用前景。     

激发光的表面等离激元增强效应导致的双光子荧光增强(英文)

理论上研究了吸附在金纳米颗粒表面的CdSe量子点的双光子荧光增强效应。在偶极近似下,全面地考虑了金纳米颗粒的存在造成的表面等离激元共振增强效应和以金纳米颗粒作为受体的非辐射能量转移效应,给出了金纳米颗粒对量子点双光子荧光的增强因子。通过数值模拟,给出了将贵金属纳米颗粒更有效地用于增强双光子荧光的方法,即将贵金属纳米颗粒的表面等离激元共振峰调至激发波长处,尽可能地增大激发光的表面等离激元共振增强效应。上述理论分析结果很好地验证了已经报道的实验结果。     

Investigation of dual-channel fiber-optic surface plasmon resonance sensing for biological applications

A dual-channel fiber-optic sensor based on surface plasmon resonance (SPR) for self-referencing refractive-index measurements has been proposed. Most applications of fiber-optic SPR sensors are designed to measure the refractive index of a liquid or gas sample by measuring the signal from a single surface, the sensitivity and stability of which is easily affected by the fluctuation of external environmental conditions. We have designed a dual-channel fiber-optic surface sensor with two independent SPR signals from two areas of the same probe. A prototype sensor was fabricated and characterized. The preliminary experimental results demonstrate the characteristic responses of both SPR signals from two channels that independently correspond to the refractive index changes in the liquid samples with which they are in contact. The design could be extended to a multichannel sensor with further developments. The experimental results confirmed that one channel can be used as a reference sensor that could compensate for unexpected changes in bulk refraction or temperature and develop this sensor as a practicable high-sensitivity biosensing device.     

基于2S2G棱镜的新型反向表面等离子共振生物传感器

提出了一种基于反向表面等离子体共振原理,由Ge_(20)Ga_5Sb_(10)S_(65)-钯-石墨烯分子-生物分子四层结构构成的新型生物传感器。当生物分子之间发生相互作用时,引起生物分子层折射率的变化,从而导致反向表面等离子体共振角的偏移。在此基础上,根据传输矩阵法推导了传感器的输出光谱,重点讨论了本文提出的传感器与传统传感器相比,在灵敏度、分辨率、动态检测范围以及检测信号信噪比方面取得的进展。另外,通过对比研究,深入分析了辅助介质层石墨烯厚度对传感器性能的影响。最后,利用近红外光作为提出的传感器的入射光,分析了在近红外区域传感器性能的改善。研究结果表明:单层石墨烯分子使传感器性能达到最佳;反向表面等离子共振峰强度约为入射光强的80%~90%,使传感器的输出信号具有较大的信噪比;在可见光区域,当入射光波长为632.8nm时,提出的反向表面等离子共振生物传感器的分辨率是基于SiO_2棱镜耦合反向表面等离子共振生物传感器的1.9倍,是传统表面等离子共振生物传感器的3.5倍,提出的传感器的动态检测范围约是现有传感器的2倍;利用Ge_(20)Ga_5Sb_(10)S_(65)棱镜可使反向表面等离子共振生物传感器检测光波长由可见光区域扩展到近红外区域,当入射光为1 000nm时,传感器的分辨率是可见光区域的3~4倍。该研究对基于反向表面等离子体共振原理生物传感器的实现与发展具有重要意义。     

High sensitivity refractive index gas sensing enhanced by surface plasmon resonance with nano-cavity antenna array

The surface plasmon resonance gas sensor is presented for refractive index detection using nano-cavity antenna array.The gas sensor monitors the changes of the refractive index by measuring the spectral shift of the resonance dip,for modulating the wavelength of incident light.It is demonstrated that minute changes in the refractive index of a medium close to the surface of a metal film,owing to a shift in the resonance dip of the wavelength,can be detected.The average detection sensitivity is about 3200 nm/RIU(refractive index units),which is more than twice that of a metal grating-based gas sensor.The reflectivity of the surface plasmon resonance dip is only ～ 0.03%,and the full widths at half maximum(FWHMs) of bandwidth of the angle and wavelength are ～ 0.20° and 4.71nm,respectively.     

内置调制层型光纤表面等离子体波共振传感器研究

研究了一种基于内置调制层结构的光纤表面等离子体波共振(SPR)传感器。通过在金膜与纤芯的内侧增覆具有不同厚度和属性的光学透明薄膜作为内调制层,构成了性能独特的光电复合薄膜,起到调节倏逝波矢量和金膜表面等离子体振荡波矢量的双重作用,进而控制共振效应,为调节灵敏度提供依据。采用时域有限差分方法对内置调制层结构光纤SPR共振激励模型属性进行数值仿真。在此基础上,研制了用于液体折射率测量的内置调制层型光纤SPR传感探针。实验结果表明,该传感器在1.335～1.392折射率范围内,随着待测液体折射率的增大,SPR共振光谱向长波方向偏移,且灵敏度达到2263.1nm/RIU,与基于纤芯-金膜-环境介质三层结构的常规光纤SPR传感器相比提高一倍,能够更好地满足环境折射率检测的需求。     

Modelling of surface plasmon resonance sensor for detection of mass concentration of ethanol and methanol in a binary mixture

Modelling of a surface plasmon resonance sensor for detection of ethanol or methanol content in water is presented. The reflectivities of these sensors are derived using transfer matrix method and hence the corresponding sensitivity and detection accuracy are obtained in the presence of high index overlayer, like silicon and chalcogenide. It is observed that the resonant wavelength of surface plasmon resonance sensor is shifted toward higher wavelength with increase of refractive index and thickness of overlayer. Hence, by adjusting their values, the desired spectral operation range of this sensor is obtained. The sensitivity of this sensor with silicon overlayer is larger than the chalcogenide overlayer but at the same time detection accuracy is smaller. This sensor can be used to detect the mass concentration of ethanol, methanol and other similar materials. A method to obtain the percentage mass concentration of ethanol is discussed.     

基于SPR光谱分析的液体折射率测量研究

文章从电磁场理论和射线理论的角度, 详细讨论了光纤表面等离子体波传感器工作原理, 分析了表面等离子体共振(SPR)光谱共振波长与液体介质折射率之间的对应关系. 采用相关光谱检测技术, 获得八种不同类型分析醇所对应的SPR光谱曲线族, 其共振波长随液体折射率的增大而逐渐向长波长方向偏移. 通过对乙醇与乙二醇混合液体所对应的共振光谱分析, 实现对两者配比浓度的测定. 整个传感系统结构简单, 测量光路部分实现全光纤化, 不仅能够对目标测量介质的实时、快速、精确测量, 还可用于特殊测量场合, 实现远程遥测功能.     

波长调制型表面等离子体共振的传感特性研究

表面等离子体共振(SPR)光学传感器能实现生物医学的快速、 无标记、 高精度检测,是生物化学分析的重要方法。 研制了基于波长调制型的Kretschmann结构表面等离子体共振(SPR)生物传感系统,研究了在体溶液传感方式下的传感性能。 利用不同浓度的乙醇和乙二醇溶液进行体溶液传感测试。 实验结果表明,在折射率低时共振波长对折射率变化响应的灵敏度低,但响应的线性度高;随着折射率增大,共振波长对折射率的响应变化的灵敏度提高。 在1.407 0～1.430 RIU折射率范围内,灵敏度高达11 487 nm·RIU-1。 传感器的共振波长的稳定性为0.213 8 nm,可分辨最小折射率趋近10-6 RIU。 所研制的波长调制型表面等离子共振传感器操作简单、 灵敏度高、 检测范围大,可实现浓度极低生物标记物的有效检测,在化学、 生物传感领域有重要的应用。     

基于Au/ITO纳米复合材料的自参照SPR传感器

利用Au/ITO纳米复合材料设计了一种自参照表面等离子体共振传感器.该传感器产生的光谱有两个共振峰,即共振峰1和共振峰2.共振峰1随着待测介质折射率和入射角的变化产生漂移,而共振峰2仅随入射角的变化产生漂移,两个共振峰相互参照,降低了入射角偏移对测量结果的影响,提高了测量的准确性.在纳米复合材料的4种不同体积分数下,仿真分析了入射角、待测介质折射率和薄膜厚度变化对两个共振波长的影响.在入射角θ为80°,且金的体积分数f为0.65,薄膜厚度d为40nm和45nm,或金的体积分数f为0.85,薄膜厚度d为45nm和50nm时,共振峰2不随待测介质折射率的变化而变化,只有共振峰1随待测介质折射率的变化而变化,达到自参照传感器的理想状态.     

Design and optimization of nano-column array based surface plasmon resonance sensor

In this paper, a surface plasmon resonance fiber sensor based on gold nano-column array instead of gold film is designed and optimized. The finite element method is used to optimize the diameter of the nano-gold column under the consideration of figure of merit, which relates to the sensitivity, resonance wavelength and resonance intensity. The optimized sensor has 70 nm gold nano-column coated on a side polished single mode fiber. The results show that the average sensitivity reaches 5318 nm/RIU when the environmental refractive index changing from 1.33 to 1.39 RIU, which is much higher than those in the conventional surface plasmon resonance structure. The optimizes design will serve a vital foundation to the fabrication of high performance fiber optic surface plasmon resonance sensors based on nano metallic structure.