基于倏逝波界面散射的单个纳米颗粒无标记成像

介绍了一种利用倏逝波界面散射对单个纳米颗粒进行无标记成像的方法。分别使用全内反射(TIR)倏逝波与表面等离激元(SPPs)两种倏逝波与单个纳米颗粒相互作用,激发纳米颗粒极化并发生散射,所产生的界面散射与入射倏逝波发生干涉,形成了纳米颗粒极化场与抛物线形干涉条纹的特征成像。分别对直径为500,200,100nm的聚苯乙烯颗粒进行了单个纳米颗粒无标记成像。比较了两种倏逝波界面散射对单个纳米颗粒成像结果,发现表面等离激元界面散射成像中的单个纳米颗粒极化强度约是全内反射极化强度的10倍,并且接近于暗场成像。因此,表面等离激元界面散射对单个纳米颗粒无标记成像具有更高灵敏度。所提单个纳米颗粒无标记成像方法可以拓展到病毒检测、生物单分子成像等领域。     

分子激发中的表面等离激元增强效应

金属纳米粒子的表面等离激元增强效应是纳米科学领域的一个研究热点.针对染料分子与金属纳米粒子的耦合系统,应用偶极-偶极近似计算分子与金属纳米粒子的库仑相互作用,并应用密度矩阵理论描述在不同极化方向的电场作用下的电荷输运过程,分析了分子与金属纳米粒子在不同相对位置下分子激发态的动力学过程,发现表面等离激元的增强效应与分子和金属钠米粒子的相对位置以及等离激元的耗散系数有密切关系,详细讨论了分子与金属纳米粒子间的耦合强度、外场的极化方向、等离激元的寿命及共振激发条件对分子激发态及表面等离激元增强的影响,分析了分子-金属纳米粒子耦合系统中表面等离激元增强效应的物理本质.     

低维材料极化激元及其耦合特性

极化激元—光与物质中的电子、声子、激子或磁振子等发生强耦合而形成的一种新的集体振荡模式,近年来在纳米光子学领域受到了广泛的关注.低维材料极化激元拥有的高空间压缩比、低损耗、光电可调控等特点使其在微纳光子学器件中有着极高的潜在应用价值,比如石墨烯中波长可调的等离极化激元、六方氮化硼中高质量的双曲声子极化激元、三氧化钼中面内各向异性的拓扑声子极化激元、碳纳米管中的一维拉廷格液体等离极化激元等.这些极化激元相互之间以及极化激元与外场之间还能进一步发生显著的耦合相互作用,产生各种丰富新奇的物理现象,极大地拓展了极化激元的应用前景.本文以几种典型的低维纳米材料中极化激元的耦合特性为例,从表征纳米极化激元的扫描近场光学显微技术出发,首先简单介绍几种典型极化激元的基本性质,然后详细讨论各种极化激元之间以及极化激元与外场的耦合,最后展望极化激元耦合作用的潜在应用.     

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.     

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。     

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-纳米圆盘结构间隙处的近表面电、磁场增强,研究结果表明该结构在单束紧聚焦径向偏振光束的激发下,金属纳米圆盘产生局域表面等离激元呼吸模式和上下表面处的电偶极矩模式,该模式使圆盘中心纵向表面电场得到增强。由于金属纳米圆盘与金属纳米球的局域表面等离激元电偶极矩的耦合共振相互作用,可以形成纵向电场得到有效增强的局域表面等离激元共振间隙模式。通过数值模拟计算研究,证明该金属纳米结构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即近表面电场的增强因子高达250倍;而近表面磁场的增强因子高达170倍。为了更清晰地展现出这种新型金属纳米结构的光谱特性以及近表面电、磁场分布特征,还展示出了该金属纳米结构的近表面电场增强分布、近表面磁场振幅分布以及近表面电、磁场共振波长的对比分析,计算结果表明所提出的金属纳米球-纳米圆盘结构具有明显的局域近表面电、磁场增强优势以及较宽的频谱波段。由于本文提出的金属纳米结构具有电、磁场增强优势,希望计算结果能应用到更多的研究领域当中,尤其是生物医学等领域,为人们抗击疫情提供一点点参考和帮助。     

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。     

表面等离激元量子信息应用研究进展

近年来表面等离激元得到了越来越多的关注和研究,得益于其能把电磁场束缚在金属-介质界面附近的亚波长尺度范围内.本文回顾了近年来表面等离激元在量子信息领域中的理论和实验研究,包括表面等离激元的基本量子性质、表面等离激元量子回路、在量子尺度下与物质的相互作用及其潜在应用.量子表面等离激元开辟了对表面等离激元基本物理性质研究的新方向,可以应用于高度集成化的量子集成光学回路,同时也可以用来增强光与量子发光体的相互作用.     

光激发作用下分子与多金属纳米粒子间的电荷转移研究

金属纳米粒子在光激发作用下的增强作用是纳米科学领域的一个研究热点. 针对分子和多个不同位形下的金属纳米粒子在光激发下的相互作用展开了理论研究. 应用密度矩阵理论描述分子和金属纳米粒子同时激发产生表面等离激元后的电荷输运过程. 研究发现, 表面等离激元增强效应与分子和各个金属纳米粒子的相对位置有密切关系. 详细分析了金属纳米粒子间的耦合强度、分子和金属纳米粒子间的耦合强度、表面等离激元能级杂化、分子激发能和外场频率对表面等离激元增强效应的影响.     

GaAs量子阱半导体微腔中腔极化激元的动态行为

GaAs量子阱半导体微腔中, 光子同时与重空穴激子、轻空穴激子耦合形成腔极化激元. 本文采用三谐振子耦合模型, 计算了腔极化激元的三支的色散关系、线宽、有效质量及其群速度; 结果表明, 由于腔极化激元的三支中光子、重空穴激子、轻空穴激子所占的权重随着平面波矢（或入射角度）变化, 腔极化激元三支的线宽、有效质量及其群速度呈现出不同的动态行为.     

金属等离子激元调控Fabry-Perot微腔谐振模式研究（英文）

目前,利用氧化锌(ZnO)微纳米线结构形成具有自然谐振腔的紫外激光器件引起国内外广泛关注。针对ZnO本征缺陷导致器件发光及稳定性不足等问题,开展金属局域等离子激元局域场发光增强方面的研究,对ZnO基紫外激光器件的应用具有十分重要的意义。本文通过理论仿真构建氧化锌微米线结构模型,对微腔光学损耗及Fabry-Perot(F-P)谐振腔模式演化进行了理论分析。得到ZnO微腔直径变化与F-P谐振模式演化、光学损耗和光强分布的关系。在此基础上通过金属Ag纳米颗粒对ZnO微米线6个表面进行修饰,发现金属局域表面等离子激元共振耦合效应对微腔周围的损耗光有明显的抑制作用,并且在金属与微腔的交叉区通过共振耦合效应实现局域场增强。模拟结果表明,在损耗较大的微腔表面修饰Ag纳米颗粒以后,光场限域能力提高6. 72%,而在金属颗粒之间沿X轴方向产生二次耦合现象,其电场强度更有2倍的增强效果。     

金属-介质-金属渔网超表面结构调控的荧光辐射：空间选择性激发和双增强

增强荧光辐射在生物成像、高灵敏探测、集成光源等方面都具有重要的应用价值.金属纳米颗粒的周围或者金属纳米结构的间隙都可以产生强的电磁场,相应的,这些结构附近的局域态密度也被极大地增强.虽然增强荧光辐射已经在多种金属纳米颗粒和颗粒对中被证明,但是利用金属纳米结构对荧光分子的吸收和辐射过程同时进行调制仍然是一个有挑战的问题.本文研究了金属-介质-金属超表面对荧光辐射的调控,其中局域表面等离激元(LSP)和磁等离激元(MPP)分別与于分子的吸收和辐射过程发中耦合相互作用.对于吸收过程,LSP的耦合作用使得可以通过旋转泵浦激光的偏振态来实现荧光分子的空间选择激发.此外,MPP模式的偏振依赖特性使得矩形渔网结构中的荧光分子的辐射波长和偏振态也受到调控.实验观测结果经过了时域有限差分模拟的验证.本文报道的纳米结构在光辐射器件和纳米尺度集成光源等方面都具有潜在的应用价值.     

表面等离激元纳米聚焦研究进展

表面等离激元是束缚于金属纳米结构表面的电磁模式,具有突破光学衍射极限和局域场增强等特点.当表面等离激元沿一维锥形纳米结构表面传播时,由于纳米聚焦效应,使得等离激元能量汇聚于锥形结构的纳米尖端,从而在该位置产生巨大的局域场增强.这一现象为电磁场能量在纳米尺度的定向输送提供了十分有效的路径,在分子光谱增强及传感领域得到广泛的应用.本文对近年来表面等离激元纳米聚焦在纳米光子学领域的研究进展进行了综述,并展望了这一领域未来的发展方向.     

金属-介质-金属渔网超表面结构调控的荧光辐射:空间选择性激发和双增强（英文）

增强荧光辐射在生物成像、高灵敏探测、集成光源等方面都具有重要的应用价值.金属纳米颗粒的周围或者金属纳米结构的间隙都可以产生强的电磁场,相应的,这些结构附近的局域态密度也被极大地增强.虽然增强荧光辐射已经在多种金属纳米颗粒和颗粒对中被证明,但是利用金属纳米结构对荧光分子的吸收和辐射过程同时进行调制仍然是一个有挑战的问题.本文研究了金属-介质-金属超表面对荧光辐射的调控,其中局域表面等离激元(LSP)和磁等离激元(MPP)分別与于分子的吸收和辐射过程发中耦合相互作用.对于吸收过程,LSP的耦合作用使得可以通过旋转泵浦激光的偏振态来实现荧光分子的空间选择激发.此外,MPP模式的偏振依赖特性使得矩形渔网结构中的荧光分子的辐射波长和偏振态也受到调控.实验观测结果经过了时域有限差分模拟的验证.本文报道的纳米结构在光辐射器件和纳米尺度集成光源等方面都具有潜在的应用价值.     

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。     

基于塔姆激元-表面等离极化激元混合模式的单缝加凹槽纳米结构的增强透射

金属单缝纳米结构因为结构简单、易于集成,常用在基于表面等离极化激元(surface plasmon polaritons,SPPs)的纳米结构中构建光源.但是,金属亚波长单缝结构一直存在透射率低的问题,如何提高其透射率一直是研究的重点.为了更好地提高金属亚波长单缝的透射率,本文对之前文献提出的分布式布拉格反射镜(distributed bragg reflector,DBR)和金属银薄膜纳米缝结构进行改进,在金属银薄膜两侧设计凹槽.当TM偏振光由DBR侧入射至DBR-银纳米缝结构时,DBR-银膜界面上和银膜入射侧凹槽一起激发的塔姆激元(Tamm plasmon polaritons,TPPs)和SPPs,以及纳米缝和银膜出射侧凹槽对的SPPs同时激发,利用凹槽激发的SPPs和银膜表面处的TPPs-SPPs混合模式的干涉相长耦合作用,通过塔姆激元的局域场增强效应和两侧凹槽与单纳米缝的干涉相长耦合作用进一步提高了表面等离极化激元模式的激发效率,再加上纳米缝中的类法布里-珀罗腔共振效应,使纳米缝的透射率得到增强.本文采用有限元方法研究了DBR-银纳米缝结构上单纳米缝加凹槽的透射特性.经过一系列参数优化,使DBR-银纳米缝凹槽结构的最大透射率增加到0.22,相对于TiO_2-银纳米缝结构的透射率(0.01)提高了22倍,比文献[23]得到的最大透射率0.166有所提高.研究结果在纳米光源设计、光子集成电路和光学信号传输等相关领域具有一定的应用价值.     

截面形状对快电子激发纳米双线表面等离激元的影响

采用边界元方法研究了快电子在金属纳米双线中激发间隙表面等离激元(SPP)的性质,比较了在不同横截面形状(包括圆形、尖劈形和不规则形状)下电子所激发SPP的不同.研究表明:在以上波导结构中,快电子都能激发具有较长传播距离和较好局域性的低阶单级-单级耦合的间隙等离激元模式;同时通过对波导无量纲价值参数的比较,发现快电子在纳米双线中激发间隙等离激元对双线波导的横截面形状要求不高,横截面形状真正影响的是高阶等离激元模式的激发,而且快电子在截面形状为尖劈的双线波导中能激发局域性更强的间隙SPP.该研究将对实验中利用 关键词： 表面等离激元 间隙模式 金属纳米波导     

银纳米颗粒阵列的表面增强拉曼散射效应研究

利用具有高密度拉曼热点的金属纳米结构作为表面增强拉曼散射(SERS)基底,可以显著增强吸附分子的拉曼信号.本文通过阳极氧化铝模板辅助电化学法沉积制备了高密度银(Ag)纳米颗粒阵列;利用扫描电子显微镜和反射谱表征了样品的结构形貌和表面等离激元特性;用1, 4-苯二硫醇(1, 4-BDT)为拉曼探针分子,研究了Ag纳米颗粒阵列的SERS效应.通过优化沉积时间,制备出高SERS探测灵敏度的Ag纳米颗粒阵列,检测极限可达10~(-13)mol/L;时域有限差分法模拟结果证实了纳米颗粒间存在强的等离激元耦合作用,且发现纳米颗粒底端的局域场增强更大.研究结果表明Ag纳米颗粒阵列可作为高效的SERS基底.     

基于TPPs-SPPs混合模式的激发以增强单纳米缝异常透射

单纳米金属缝结构,由于其结构紧凑、易于集成、耦合效率高,常常在基于表面等离子体激元(surface plasmon polaritons,SPPs)的纳米结构器件中用于构建光源.但是,单纳米缝的低透射率一直是该结构向实际应用转化中的问题;实际上,如何有效地增强其透射率一直是研究的重点.本文提出了一种有效增强单纳米缝异常透射的方法和结构,该结构由分布式布拉格反射镜(distributed bragg reflector,DBR)和金属银薄膜纳米缝构成.当TM偏振光由DBR侧入射至DBR-银纳米缝结构时,DBR-银膜界面上的塔姆激元(Tamm plasmon polaritons,TPPs)和纳米缝中的SPPs能够同时被有效激发,并相互耦合形成TPPs-SPPs混合模式,当TPPs与SPPs满足波矢匹配条件时,利用TPPs的局域场增强效应可显著提高SPPs的激发效率,结合纳米缝中的类法布里-珀罗腔共振效应,最终可实现对单纳米缝异常透射率的有效增强.本文利用传输矩阵法和有限元算法分析了DBR-银纳米缝结构上单纳米缝的透射特性.经过参数优化,在银膜厚度为100 nm、纳米缝宽为11 nm时,DBR-银纳米缝结构的最大透射率为0.166,相对于TiO_2银纳米缝结构(无DBR)的透射率(0.01),提高了16倍.该研究从基本物理机理出发,实现了对单纳米缝异常透射的增强,研究结果在纳米光子学、近场光学成像与探测、极化激元激光器等相关领域具有潜在的应用价值.     

十字结构银纳米线的表面等离极化激元分束特性

金属纳米线波导可以将光局域在亚波长尺度内传播, 在纳米光子集成回路方面有着重要的作用. 本文应用有限元方法, 研究了十字结构银纳米线的表面等离极化激元分束特性. 结果表明, 不同模式的表面等离极化激元在十字结构三个分支的输出依赖于端面的几何结构参数. 此外, 研究还发现由于不同模式表面等离极化激元叠加, 在十字结构的分支上出现了周期性电场分布.