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中科院物理所開發(fā)出新的超分辨激發(fā)和成像方法

作者： 2018年05月23日來源：全球化工設(shè)備網(wǎng) 瀏覽量：

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【中國(guó)化工儀器網(wǎng)行業(yè)動(dòng)態(tài)】光的衍射極限限制了常規(guī)光學(xué)成像的分辨率和介質(zhì)光子器件的尺寸，將對(duì)光的操控和利用制約在波長(zhǎng)水平；而金屬納米結(jié)構(gòu)的表面等離激元可以將光場(chǎng)束縛在納米結(jié)構(gòu)表面，使突破衍射極限的納米尺

　　【中國(guó)化工儀器網(wǎng) 行業(yè)動(dòng)態(tài)】光的衍射極限限制了常規(guī)光學(xué)成像的分辨率和介質(zhì)光子器件的尺寸，將對(duì)光的操控和利用制約在波長(zhǎng)水平；而金屬納米結(jié)構(gòu)的表面等離激元可以將光場(chǎng)束縛在納米結(jié)構(gòu)表面，使突破衍射極限的納米尺度光操控成為可能。

　　金屬納米線不僅具有顯著的局域電磁場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)，可以在納米尺度上增強(qiáng)光與原子、分子、量子點(diǎn)、色心等納米量子光源的相互作用，同時(shí)還支持傳輸?shù)谋砻娴入x激元模式，可作為等離激元納米波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)亞波長(zhǎng)束縛的光信號(hào)傳輸，是構(gòu)建片上納米光子回路的基本元件。

　　金屬納米線與單個(gè)納米量子光源的耦合可以實(shí)現(xiàn)單個(gè)量子化的表面等離激元的產(chǎn)生和傳輸，對(duì)該體系的研究對(duì)深入認(rèn)識(shí)單光子水平上光與物質(zhì)相互作用的基本物理和設(shè)計(jì)納米量子光子器件都具有重要意義。集成在金屬納米線上的多個(gè)納米量子光源可以通過表面等離激元發(fā)生相互作用，產(chǎn)生新的光學(xué)現(xiàn)象，如協(xié)同輻射和量子糾纏。當(dāng)納米光源之間的距離達(dá)到亞波長(zhǎng)尺度時(shí)，光學(xué)顯微鏡的分辨率限制了對(duì)金屬納米線上的多個(gè)納米光源進(jìn)行超分辨成像和超分辨可控激發(fā)，阻礙了相關(guān)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)展。

　　針對(duì)上述問題，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心納米物理與器件實(shí)驗(yàn)室副研究員魏紅及其合作者設(shè)計(jì)了一種利用金屬納米線上的表面等離激元干涉場(chǎng)作為激發(fā)源的超分辨激發(fā)和成像方法。由于表面等離激元干涉條紋的周期遠(yuǎn)小于激發(fā)光波長(zhǎng)，這種方法具有突破衍射極限的光學(xué)分辨率。銀納米線上的傳輸表面等離激元與局域表面等離激元的干涉形成“之”字形分布的電場(chǎng)，反向傳輸?shù)膬墒砻娴入x激元干涉形成周期性對(duì)稱分布的電場(chǎng)。通過調(diào)控兩束激發(fā)光之間的相位差，上述兩種等離激元干涉場(chǎng)的分布都沿著納米線移動(dòng)，使納米線上的量子點(diǎn)處的電場(chǎng)強(qiáng)度發(fā)生變化，從而可以調(diào)控量子點(diǎn)的激發(fā)。

　　利用該方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)相距幾十納米的兩個(gè)量子點(diǎn)的選擇性激發(fā)，實(shí)驗(yàn)中通過對(duì)相距100nm的兩個(gè)量子點(diǎn)的選擇性激發(fā)演示了該技術(shù)的可行性。研究人員將結(jié)構(gòu)照明顯微成像技術(shù)與金屬納米線上的表面等離激元干涉場(chǎng)相結(jié)合，利用模擬計(jì)算實(shí)現(xiàn)了對(duì)多個(gè)量子點(diǎn)的超分辨光學(xué)成像，分辨率約為96nm。該工作為研究和表征等離激元納米波導(dǎo)與多個(gè)納米量子光源耦合體系的光學(xué)特性提供了一種實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)深入認(rèn)識(shí)納米尺度上表面等離激元增強(qiáng)的光與物質(zhì)相互作用的機(jī)理和規(guī)律、設(shè)計(jì)基于表面等離激元的納米/量子光子器件和回路等具有重要意義。

　　相關(guān)研究成果發(fā)表在Nano Letters上。該研究得到了中科院、國(guó)家自然科學(xué)基金委和科技部的資助。

　　論文鏈接

圖1.利用銀納米線表面等離激元實(shí)現(xiàn)對(duì)量子點(diǎn)的可控激發(fā)

圖2.利用銀納米線表面等離激元選擇性激發(fā)兩個(gè)相距100nm的量子點(diǎn)中的任意一個(gè)

　　圖3.將表面等離激元干涉場(chǎng)用于結(jié)構(gòu)照明顯微成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)量子點(diǎn)的超分辨光學(xué)成像

　　圖4.金屬納米線中表面等離激元傳輸?shù)氖疽鈭D、表面等離激元模式色散關(guān)系的示意圖以及三個(gè)研究方向

　　(原標(biāo)題：物理所利用表面等離激元首次實(shí)現(xiàn)單個(gè)量子光源的超分辨選擇性激發(fā)和成像)

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