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光學工程
超高靈敏光學微腔傳感—檢測納米尺度單顆粒

超高靈敏傳感檢測技術在環境監控、重大疾病早期預防和生化安全等方面具有十分重要的意義。然而,當待測顆粒物濃度極低且尺寸進入納米量級時,檢測變得極為困難。日前,北京大學物理學院肖云峰研究員和龔旗煌院士在利用超高品質因子光學微腔增強傳感靈敏度的基礎上,開發出了一種基于耗散型相互作用的無標記傳感技術,并成功實現了納米尺度單顆粒的實時檢測。該研究成果近日發表在學術期刊Physical Review Applied [5, 024011 (2016)]上,并同期評述為“朝著實用化光學傳感邁進了重要一步”。

研究人員采用的微腔為微芯圓環腔,如圖1所示。光在旋轉對稱微腔的內表面發生連續全反射,干涉疊加形成回音壁共振模式,其原理類似于聲音在北京天壇回音壁的墻面傳播,故而得名。超高品質因子回音壁模式極大地增強了光與待測物質之間的相互作用,因而傳感靈敏度得到顯著提升。

傳統的光學微腔傳感機制主要基于色散型相互作用,依賴于待測顆粒在腔模電場下的極化率實部。因此,當待測物的極化率實部趨于零時,色散型傳感機制失效。為了解決這個問題,肖云峰研究小組提出了基于耗散型相互作用的傳感機制,其主要依賴于待測顆粒的極化率虛部,具體表現為微腔模式的線寬變化。實驗上,他們以單個金納米棒(40 nm × 16 nm)作為檢測對象來評估傳感器性能:當傳感器工作在等離激元共振時,金棒極化率實部趨于零,導致色散型傳感無法獲得有效信號;而耗散型傳感機制由于響應其虛部,則以較高信噪比實現了單個納米顆粒的檢測,如圖2。基于耗散型相互作用的微腔傳感機制不但有利于檢測具有吸收性能的納米顆粒,而且可以進一步結合色散型傳感,得到待測顆粒的更多信息,從而擴充了納米尺度單顆粒檢測的維度。

圖1: 片上光學微腔傳感示意圖。 圖2: 微腔傳感的實時信號:模式線寬(a)與模式移動(b),分別為耗散型和色散型相互作用引起的模式變化。臺階信號表示發生了單個納米顆粒的吸附事件。耗散型相互作用引起的信號強度遠大于色散型,且可識別更多的單顆粒吸附事件。

該工作發表后,引起了學術界的廣泛關注,被Phys.org,Nanowerk和Controlled Environments等著名國際科技媒體專題報道。


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