日期： 2014-10-03 信息來(lái)源： 物理學(xué)院
近些年來(lái)，由于在環(huán)境監測、惡性腫瘤早期篩查甚至國土安全方面的重要意義，單個(gè)納米尺度顆粒的快速檢測吸引了人們越來(lái)越多的興趣。日前，北京大學(xué)“介觀(guān)光學(xué)和飛秒光物理創(chuàng )新研究群體”肖云峰研究員和龔旗煌院士等開(kāi)發(fā)出一種基于微腔拉曼激光的超高靈敏傳感器，在液體環(huán)境下成功的實(shí)現了單個(gè)20納米尺度顆粒的實(shí)時(shí)檢測。這一最新研究成果于2014年9月30日在線(xiàn)發(fā)表在《美國科學(xué)院院刊》(Proceedings of the National Academy of the Sciences of the United States of America, DOI:10.1073/pnas.1408453111)上，文章題為“Single nanoparticle detection using split-mode microcavity Raman lasers”。
圖1：超高靈敏光學(xué)微腔傳感示意圖
實(shí)現超高靈敏光學(xué)傳感的核心是增強光與待測物質(zhì)之間的相互作用。為此，該研究小組使用了一種特殊的光學(xué)微腔，其形狀具有空間旋轉對稱(chēng)性，如圖1所示。當光在彎曲的高折射率腔體內表面發(fā)生全反射時(shí)，光場(chǎng)干涉增強形成光學(xué)回音壁模式，其原理類(lèi)似于聲音在北京天壇回音壁的墻面傳播，故而得名。這類(lèi)光學(xué)微腔往往具有極高的品質(zhì)因子和較小的模式體積，且可在芯片上進(jìn)行批量制備，無(wú)需反射鏡等元件，結構簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，因而在超高靈敏光學(xué)傳感研究和應用方面展露出極大的潛力，近些年來(lái)也吸引了國際學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。
光學(xué)微腔傳感的常見(jiàn)物理機制是模式移動(dòng)和模式劈裂。前者具有高靈敏度，但受環(huán)境溫度漂移等噪聲影響嚴重；而后者需要苛刻的實(shí)驗條件，不易檢測尺寸為數十納米的顆粒。解決方法之一是利用新的傳感機制―模式展寬，由北京大學(xué)該課題組首次提出并實(shí)驗證明(Advanced Materials 25(39), 5616 (2013))。近期，他們又進(jìn)一步發(fā)展了基于模式劈裂機制的微腔傳感技術(shù)，并提出了突破檢測極限的新方案。在剛發(fā)表的工作中，研究人員創(chuàng )新性的將微腔拉曼激光模式劈裂應用于單個(gè)納米尺度顆粒的傳感，檢測極限達到了國際領(lǐng)先水平。
圖2:(a),微腔拉曼激光的拍頻信號;(b),拍頻信號隨時(shí)間的變化，拍頻的臺階變化表示單個(gè)20 nm尺度顆粒的吸附。
在該實(shí)驗工作中，創(chuàng )新群體研究人員利用一個(gè)光纖錐將泵浦激光輸入到微腔之中并收集其發(fā)射，得益于回音壁模式的超高品質(zhì)因子和腔體材料本身的三階非線(xiàn)性效應，一個(gè)毫瓦量級功率的輸入光即可在腔體內產(chǎn)生顯著(zhù)的受激拉曼散射。原則上，拉曼激光可以在順時(shí)針、逆時(shí)針兩個(gè)相反傳播方向的回音壁模式中產(chǎn)生。值得指出的是，這一對正反傳播的模式具有完全相同的模場(chǎng)分布、偏振方向和共振頻率。當單個(gè)納米顆粒吸附在微腔表面時(shí)，顆粒本身的背向散射會(huì )引起這一對模式之間發(fā)生相互耦合，從而形成拉曼激光的模式劈裂，在時(shí)域上表現為拉曼激光的拍頻，如題2(a)。通過(guò)監測微腔拉曼激光拍頻的變化，即可實(shí)現對納米顆粒的實(shí)時(shí)檢測，如題2(b)所示。利用這種方法，研究人員在液體環(huán)境下實(shí)現了單個(gè)20納米尺寸顆粒的檢測。由于拉曼散射是大多數材料都具有的性質(zhì)，且其具有很寬的增益帶寬，因此相對摻雜增益介質(zhì)的微腔激光，拉曼激光傳感器不需要復雜的摻雜的過(guò)程，使得傳感系統更加簡(jiǎn)單，同時(shí)也降低了對泵浦光波段的要求，將微腔傳感走向實(shí)際應用推進(jìn)了一大步。
系列研究工作得到了科技部973計劃、國家自然科學(xué)基金委重點(diǎn)項目、人工微結構和介觀(guān)物理國家重點(diǎn)實(shí)驗室及量子物質(zhì)科學(xué)協(xié)同創(chuàng )新中心的支持。
編輯：拉丁
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