表面等離激元納米光源和納米光學顯微鏡

《表面等離激元納米光源和納米光學顯微鏡》是依託武漢大學，由徐紅星擔任項目負責人的專項基金項目。

基本介紹

• 中文名：表面等離激元納米光源和納米光學顯微鏡
• 項目類別：專項基金項目
• 項目負責人：徐紅星
• 依託單位：武漢大學

項目摘要

常規近場光學顯微鏡的成像受限於所用的針尖，即有孔型光纖尖端的弱信號和無孔型針尖散射光偏振信息的不完整。基於表面等離激元的新型近場光學顯微鏡則可以突破這些局限，實現高強度局域照明、出射光的保偏、高空間解析度等功能。金屬納米線中激發的表面等離激元具有局域電磁場增強、傳播不受衍射極限的限制以及偏振狀態可控等特點，在納米光源、生物細胞檢測和分子手性識別方面具有潛在的套用價值。本項目的實施將主要圍繞儀器整體規劃、部件設計與組裝、樣品表征與技術指標驗證這三個方面，同時展開對相關基本科學問題的研究。我們將首先定位本項目的基本技術指標，從而進行部件設計和採購。集中解決兩大關鍵技術問題，即金屬納米線探針的製作和系統穩定性及弱光學信號的探測。最後我們將採用標準樣品對儀器進行技術指標驗證，並嘗試擴展到複雜樣品，如生物細胞樣品和手性單分子樣品，研究細胞內部分子結構，以及利用納米光源的手性偏振對分子進行手性識別。

結題摘要

本項目探索利用金屬納米線中傳播型等離激元的端面發射作為納米光源，對樣品進行近場光學顯微成像，解決在近場光學顯微技術存在的信號弱、不保偏、空間解析度低的問題，實現在光學解析度和光學測量效率的提高。圍繞上述目標，項目在儀器研製方面解決了金屬納米線近場掃描探針的製備和弱信號測量兩大關鍵技術問題，在針尖系統、掃描系統、激發系統、探測系統四方面開展工作，實現了基於金屬納米線針尖的樣品表面形貌成像和近場光學成像。在金屬納米線結合錐形光纖端頭的納米光源製備方面，我們摸索出一整套工藝，包括使用熔融法和腐蝕法製備錐形光纖頭，具有20nm端頭直徑的金屬納米線的化學合成，金屬納米線的氧化物包裹層製備，以及微操台在光纖頭上粘結納米線等，使得針尖在空間解析度，使用壽命和降低背景雜散光方面性能得到提高。在掃描反饋方面實現了自製的基於振幅/相位反饋模式的音叉反饋掃描系統。對於弱信號的採集，我們採用單光子計數器或光電倍增管來探測，並採用了基於針尖振動信號調製的鎖相放大器，基於共聚焦+暗場採集的背景信號隔離機制，以及基於螢光/拉曼/二次諧波等非線性過程的成像方案來隔離背景信號等若干方案。在機理研究方面，我們對納米線光源的近場分布、發射特性、納米線與量子點的耦合機制、納米線導致的光的自旋-軌道角動量轉換、液相環境中納米線光源對微粒的操控等方面進行了研究。通過納米線表面介質包覆層厚度的調製可以實現對等離激元近場分布、端頭髮射方向的高度可調控。研究了納米線與發光基團（單量子點）的耦合效率，為單光子探測提供了實驗基礎。研究了表面等離激元增強的光子自旋-軌道耦合效應，解釋了納米線將入射光子的自旋角動量耦合為光子的軌道角動量的機制，為納米線光源的手性探測提供了理論依據，可指導設計新型等離激元自旋光子器件和光學拓撲器件。通過納米線波導表面的電場梯度誘導產生的光學梯度力和光在納米線中的吸收而產生的熱效應導致的液體的熱對流，實現對二氧化鈦納米顆粒在液相環境下的捕獲和輸運，使得納米線針尖兼具探測和操控功能，在生物細胞、蛋白質等的操控和定位研究方面具有很好的套用前景。