等离激元Fano共振的激发与应用

Fano共振的概念是由意大利物理学家U.Fano在量子体系的框架中提出,描述的是原子吸收光谱中会出现不对称洛伦兹线型。这是由于量子体系中的连续态能级和分立态能级相互重叠而产生量子干涉的结果。在等离激元体系中,同样存在着Fano共振源于纳米结构体系所支持的等离激元明模式与暗模式的耦合,更加适用于实际应用。本文总结了两种主要的等离激元Fano共振的激发方式,并简述了等离激元Fano共振的几个典型应用。通过对其激发和应用领域的概述,使人们能够更加深入地了解和认识等离激元Fano共振。

等离激元Fano共振纳米结构及其应用

金属纳米体系中的局域表面等离激元具有丰富的光学性质,广泛应用于化学、材料和生物等领域。等离激元Fano共振的发现,使等离激元纳米结构具有更大的场增强、更密集的谱间隔以及更高的光谱灵敏度,从而成为了表面等离激元光子学中的研究热点之一。对表面等离激元Fano共振的形成机理进行了解释。研究了目前能产生Fano共振效应的3种典型的等离激元微纳结构:对称性破缺、颗粒团簇和纳米阵列,这些结构在表面增强拉曼散射、生物探测和光电器件等方面有很多潜在的应用。

拉锥光纤表面等离激元共振高性能传感器

Au和Ag常用于激发表面等离激元共振(SPR)。Ag的欧姆损耗低于Au,损耗谱线更窄,但Ag容易被氧化。而TiO_(2)具有化学稳定性和可调性等优势。因此,为了做出性能优异且稳定的传感器,提出了一种基于Ag/TiO_(2)的拉锥多模光纤(MMF)表面等离激元共振传感器。TiO_(2)增加传感器灵敏度保留了窄损耗谱线的优势,同时起到了保护Ag免受氧化的作用。该传感器具有高灵敏度和高质量指数(FOM)的特点,在通信波长范围内表现出卓越性能。为了深入研究,文中使用基于COMSOL Multiphysics软件的有限元方法(FEM)模拟工具进行了数值研究。模拟结果显示:传感器实现了最大波长灵敏度达到16000 nm/RIU,最大FOM值为1920 RIU^(-1)。该研究为高性能SPR传感器的设计提供了有价值的设计见解。

激发等离激元Fano共振的金属类圆盘纳米结构体系

Fano共振效应是量子体系中分立态能级和连续态能带相互重叠,在光谱中表现出非对称线型的共振散射现象,最初由U.Fano经过严格的理论验证得到。近年来,在表面等离激元结构体系中也陆续发现了等离激元Fano共振现象,它是由结构支持的辐射模式和非辐射模式相互作用产生的。等离激元Fano共振具有光谱线宽较窄、辐射损耗小以及能够将入射场局限在结构表面并使近场显著增强等优势,因此成为了纳米光子学中的研究热点。在支持Fano共振激发的等离激元结构中,类圆盘结构具有较宽的辐射模式线宽,可以和结构支持的一个或多个弱辐射模式耦合,因此可以有效激发单一或多重等离激元Fano共振,并能够实现对Fano共振的有效调制。此外,类圆盘纳米结构体系在拥有高度几何对称性或规则的多个体数量条件下,仍然可以激发高强度的等离激元Fano共振模式,这进一步拓展了Fano共振纳米结构的设计思路。我们总结了近年来激发等离激元Fano共振模式的类圆盘结构组成的体系,其中包括单一圆盘结构、异类二聚体圆盘结构和多聚体类圆盘结构等,并对这些体系支持的Fano共振的产生机理和激发方式进行了详细的分析。另外,对支持等离激元Fano共振的类圆盘纳米结构的应用也进行了简单的论述。

D3h和D4h等离激元超分子的Fano共振光谱的子集合分解解释

针对D_(3h)和D_(4h)对称构型金属纳米多颗粒集合即等离激元超分子表面等离激元共振光谱的子集合分解及其相对应的Fano共振光谱低谷的产生机理,本文运用群论的方法做出了详细的分析研究.运用与群论中求解分子简正振动模式类似的方法,推导证实了在线偏振光入射时,Dnh环形多颗粒只有2个电偶极表面等离激元共振模式,增加中心颗粒会使模式增加1个.对D_(3h)和D_(4h)等离激元超分子的表面等离激元共振模式进行不可约表示基向量正交分解分析表明,Fano共振光谱低谷是由于两个起主要作用的相邻模式包含有共同的正交基向量,并形成相消干涉而产生.这进一步验证了Fano共振光谱低谷的起源除传统观点(即源自于宽频超辐射亮模式和窄频低辐射暗模式之间的耦合)之外的另一种解释视角.

InSb光栅耦合的太赫兹表面等离激元共振传感方法

仿真设计了一种光栅耦合型太赫兹(THz)表面等离激元(SPP)共振生化传感结构,该结构通过在锑化铟(InSb)基底表面刻蚀亚毫米光栅形成.基于波矢匹配方程的仿真结果表明,当TM偏振的THz平行波束以30°入射角照射到光栅区间时,光栅的–1和+1级THz衍射波束能够分别激励传播方向相反的低频SPP和高频SPP.由于采用商业THz时域谱装置可以准确测量低频SPP,本文系统地分析了低频SPP的共振和传感特性对光栅结构参数的依赖关系.仿真结果表明:InSb光栅耦合的THz-SPP共振传感芯片的折射率灵敏度随光栅周期的增大而减小;当光栅周期为120μm、入射角为30°时,折射率灵敏度为1.05 THz/RIU,在此条件下,传感芯片不能对生物分子单分子吸附层作出可探测的响应,究其原因是,低频SPP的消逝场穿透深度远大于生物分子尺寸,致使两者相互作用不足.为了探测生物分子,仿真分析了多孔薄膜覆盖InSb光栅的增敏方法.多孔薄膜具有分子富集作用,能够将THz表面波与生物靶标的相互作用从单分子尺度扩展至整个薄膜厚度,从而提高传感器的生物检测灵敏度.以酪氨酸吸附为例的仿真结果表明,当InSb光栅表面覆盖厚度为120μm、孔隙率为0.4的多孔聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)薄膜后,其吸附灵敏度为0.39 THz/单位体积分数.

基于高双折射侧边抛磨光子晶体光纤的表面等离激元共振双参量传感器

利用表面等离激元共振(SPR)技术设计了一款高双折射光子晶体光纤(PCF)传感器,可以实现宽范围的双参量高灵敏度传感.采用侧边抛磨的结构,内部空气孔呈三角晶格排列.金纳米层涂覆在抛磨面直接与待测物接触作为测量折射率RI的通道,更加方便检测工作的进行,靠近纤芯的椭圆孔内充满氯仿用来探测温度.两个独立的通道以及由非对称引入的双折射可以确保独自测量折射率和温度的变化,解决了交叉灵敏度问题.借助全矢量有限元软件COMSOL Multiphysics,灵活使用散射边界条件可以很好的对光子晶体光纤传感器的光学特性进行数值分析研究.实验结果表明,文中提出的传感器可以测量折射率范围为1.32~1.39,温度范围是20~60℃,在500~1100 nm的波长范围内可以观察到明显的表面等离激元共振效应.为了进一步分析该结构的性能,对主要结构参数(抛光面金膜厚度m_(1)、Ta_(2)O_(5)厚度m_(2)、中心空气孔直径d1以及占空比)做了研究分析.仿真结果得到折射率传感下的平均波长灵敏度5700 nm/RIU,最大波长灵敏度13200 nm/RIU,最大振幅灵敏度818.44 RIU^(-1),传感器的折射率分辨率为1.75×10^(-5)RIU.温度传感范围为20~60℃,得到最大波长灵敏度为2.6 nm/℃,最大振幅灵敏度为0.363℃-1,以及传感器的温度分辨率为3.84×10^(-2)℃.该工作对于高灵敏度、实时、分布式、多参量测量SPR传感器的设计和实现具有指导意义.

基于表面等离激元波导相位反转的可调Fano共振研究

表面等离激元是金属界面的自由电子俘获入射光波,在界面形成的一种混合激发态。表面等离激元能够突破光的衍射极限,将能量局域在金属-介质界面,基于表面等离激元原理的波导器件可以真正实现亚波长尺寸,被认为是最理想的纳米集成光路的信息载体。而Fano共振的产生,源于原子系统中一个分立的激发态能级与一个连续的激发态能级相互重叠,两个激发态之间出现了量子干涉。文章提出了基于亚波长非线性表面等离激元波导侧双齿双腔MIM(金属—介质—金属)结构。波导及齿状结构提供了一个连续态模式,而双侧腔提供了分离态模式,这两种模式发生干涉,产生了Fano共振现象。通过调节光强的大小对非线性腔进行调节,该系统实现了Fano线性发生了反转及相位反转的全关调制。

表面激元共振(SPR)传感器理论分析

在基于ATR方法的SPR传感器设计和制作的工作中,为了得到更加优化的性能,对其原理进行了较为深入的分析。从表面激元波和全反射消逝波的数学模型入手,得到了共振角的数学关系及几个结论,并以金膜为例进行了计算机仿真。

亚波长金属光栅的表面等离子体激元共振特性

亚波长金属光栅在共振波长处有光场局域增强、异常透射等现象,为深入认识其共振机制,本文研究了亚波长金属光栅的表面等离子体激元(SPP)共振特性。通过研究不同金属光栅的几何结构以及金属介电常数对SPP共振波长的影响,获得了3种共振波长的基本物理机制。采用周期边界元法进行数值模拟,在边界积分方程的基础上结合平面波展开方法来处理任意形状的周期性结构。模拟结果表明,3种共振波长可以分别由金属的材料、金属光栅周期和金属光栅厚度所调谐。该研究为微纳米光学器件的设计提供了依据。

光纤表面等离体激元共振传感器中光传播特性的理论分析

光纤表面等离体激元共振传感器是一种易于小型化的SPR传感器,常用于开发便携式传感检测设备,也可用于远距离实时在线检测。在本研究中,采用特制光纤作为导光介质来制作一种新的光纤SPR传感器。由于光纤中光传播相当复杂,仅凭过往经验来设计传感器将不能保证其检测精度。因此,针对本研究中光纤的特点,建立了光纤中光传播模型,并结合菲涅耳公式推导出该类光纤SPR传感器中光总反射系数与光波长的关系,最终绘制出理论SPR曲线并计算出共振波长。研究结果为该类光纤SPR传感器的设计及光谱分析提供了重要理论依据。

表面等离子体激元共振与生物分子相互作用分析

对表面等离子体激元共振（ｓｕｒｆａｃｅｐｌａｓｍｏｎｒｅｓｏｎａｎｃｅ，ＳＰＲ）的原理和在生物学研究方面的应用进行了综述这种技术可以直接原位、实时地跟踪生物学实验研究系统，而不需要附加参数如进行标记等手段，具有高敏感性，也可以连续监测吸附或解吸附过程，目前有关的应用涉及到生物学结合分析、动力学及亲和力测定、免疫识别研究。

Ag纳米粒子点阵的表面等离激元共振特性调控

通过纳米粒子束流气相沉积方法在衬底表面沉积稠密银纳米粒子点阵。通过对纳米粒子覆盖率的精细控制与纳米粒子点阵消光谱的实时监测,实现了其表面等离激元共振峰频率的系统调控。随着Ag纳米粒子密度的增加,点阵的表面等离激元共振波长发生红移,可逐步由小于400 nm增大到570nm以上。研究发现,表面等离激元共振波长的变化与随纳米粒子沉积量增加而增加的紧密相邻的纳米粒子对的百分数相关。

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.

金属纳米结构表面等离激元共振增强光电化学反应

联合多个外场协同相互作用,表面等离激元共振(SPR)效应用于调控表面反应,可以进一步提高反应效率和选择性。在本文中,我们研究了在外加光场的作用下,通过电位对金属电极费米能级的调控,实现对SPR能量的调控,从而调节SPR弛豫产生热电子和热空穴的能量,研究SPR增强化学反应的光电协同机制,调控金属纳米结构(NPs)光电化学界面反应的选择性和效率。

高效差分表面等离激元共振传感器

为了减小现有的表面等离激元共振传感器的系统漂移和溶液体效应引起的误差,利用四元光电探测器,发展了一种差分SPR传感器,通过对信号的差分运算消除这些误差.测试结果表明, 该仪器有 2个突出的优点:具有 10-5 (°)或 10-8 RIU的高角向分辨率;能同时消除系统漂移和溶液体介电常数效应引起的误差,10min内漂移小于 7×10-5 (°).利用这种传感器,测量浓度为 0 55nmol/L的抗生物素, 得到很好的响应特性,证明该装置可用于生物分子的检测.

微结构光纤表面等离子激元共振传感器的研究

基于光纤结构的表面等离子激元共振(surface plasmon resonance,SPR)传感技术是近年来光纤传感领域的研究热点.论述了SPR传感器的工作原理、调制方式和光纤SPR传感器的理论,介绍了本课题组在该领域的研究进展,包括利用光纤和毛细管SPR传感器、图像式光纤SPR传感器、多通道光纤阵列SPR传感器、自补偿SPR传感器、智能手机SPR传感器及啁啾倾斜光纤光栅SPR传感器等,总结了基于光纤微结构的SPR传感器的研究现状,分析了需要解决的问题,并对未来的发展趋势.

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。

金纳米双锥与金纳米棒颗粒纵向表面等离激元共振特性的数值比较研究

金纳米双锥与金纳米棒颗粒因其自身的各向异性在红外谱段均呈现出显著的纵向表面等离激元共振特性。本文利用时域有限差分方法数值研究了金纳米双锥与金纳米棒的纵向表面等离激元共振特性,并对两者在纵向表面等离激元的可调谐性以及局域电场增强方面进行了比较。研究结果表明,相比于金纳米棒结构,金纳米双锥不仅在纵向表面等离激元共振峰的调控效率及波段调控范围上具有优势,而且还具有局域化程度更高、增强特性更为显著的电场分布。这一结果将对金纳米双锥与金纳米棒颗粒在光学传感、表面增强拉曼及光热转换治疗等领域的应用起指导作用。