《基於Fano共振型超材料的表面增強單分子CARS光譜研究》是依託鄭州大學，由王俊俏擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：基於Fano共振型超材料的表面增強單分子CARS光譜研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：王俊俏
- 依託單位：鄭州大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
等離激元共振超材料在光譜探測和生物感測等領域具有重要的作用，利用其在共振條件下巨大的電磁場增強可以實現對弱信號的有效探測，甚至可以達到單分子靈敏度。本項目利用具有Fano共振效應的超材料作為巨大場增強晶片來實現對生物單分子相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）信號的放大和探測，探索和解決其中光與物質相互作用的基本科學問題。首先，設計合適的超材料金屬非對稱結構單元，使其Fano共振峰（暗模式）與泵浦光源的波長相匹配，不同的亮模式分別與斯托克斯光及反斯托克斯光對應，以便實現最大的信號增強；其次，研究光－等離激元－非線性拉曼信號之間內在關聯和相互影響，探討利用超材料不同共振模式實現單分子拉曼探測的物理機制和有效途徑，以及增強非線性拉曼信號和分子探測靈敏度的關鍵因素。通過本項目的研究將為弱信號條件下的未知分子探測和高靈敏度感測提供實驗支持和借鑑。
結題摘要
等離激元共振超材料在光譜探測和生物感測等領域具有重要的作用，利用其在共振條件下巨大的電磁場增強可以實現對弱信號的有效探測，甚至可以達到單分子的靈敏度。本項目主要設計了多共振基底、Fano共振結構以及納米天線對等超材料結構，並對其光學性能、近場局域特性以及表面增強CARS等特性進行了詳細的研究。通過我們的研究，可以發現要想實現CARS的最有效增強，設計表面增強的超材料基底是關鍵。通過理論計算我們設計的多共振基底的表面增強CARS的增強因子，可以達到10^15~-10^16量級。而要想實現如此大的增強效果，表面增強基底則必須要滿足下面三個條件：（1）多個共振模式的激發和強局域場的形成；（2）多電漿共振光譜與泵浦光、反斯托克斯光和斯托克斯光的光譜重合；（3）多電漿共振模式具有相同的空間熱點分布。另外，我們也設計了具有Fano共振結構表面增強基底，我們理論上研究了具有一定間隙對稱放置的十字架二聚體納米結構的光學性能。該結構中，通過亮、暗偶極子共振模式的相互作用，等離子Fano共振現象可以被實現。亮模式源於電偶極子共振，而暗模式源於基於LC共振的磁偶極子共振模式。我們發現通過調整二聚體縱向子單元結構的長度，可對Fano共振線型進行調整。而且當上下子單元長度不同時，會出現一個額外的共振峰。這一現象為我們實現SECARS提供了新的途徑。當我們調整結構參數可使CARS頻率匹配關係的三個不同波長的電場熱點局域在相同的空間位置。通過對結構的合理設計，證明了該十字架二聚體結構可被套用在表面增強基底中，其最大增強因子達到1013。通過我們的研究，揭示了光-等離激元-拉曼信號之間的內在關聯和影響，驗證了利用超材料不同共振結構實現巨大的電磁場增強和表面增強CARS的有效性，弄清楚了影響增強非線性拉曼信號的關鍵因素。該項目為弱信號條件下的未知分子探測和高靈敏度感測提供了理論支撐和借鑑。
