等离激元核-壳微腔中光散射特性及其应用研究

In this project, we mainly focus on the plasmonic coupling between cavity plasmon modes, whispering-gallay modes and sphere plasmons in dielectric-metal core-shell resonators, and potential applications on fluorescent labeling and optical coding due to the strongly fluorescent reshaping effects produced by the coupling of dye molecules to the multipolar high-Q cavity plasmons..1) Study the plasmonic coupling effect between multipolar high-Q cavity plasmons and sphere plasmons with the same (different) angular momentum of symmetry (symmetry-reduced) dielectric-metal core-shell resonators, and accurately control the multipolar electric and magnetic-based cavity plasmon resonances..2) Study the unique emission properties based on the coupling of dye molecules to the multipolar high-Q cavity plasmons in dye-doped dielectric-metal core-shell resonators, and explore the potential applications on fluorescent labeling and optical coding..3) Study the excitations and near-field plasmonic coupling effect between the sphere plasmons and multipolar whispering-gallery (WG) modes of spherical hyperibolic metamaterial cavities, consisting of a dielectric core wrapped by several alternating layers of metal and dielectric, and precisely control the multipolar WG modes..4).Further extend the self-supporting colloids crystal template deposition technique to fabricate the core-shell particles with various sizes、compositions and morphology, which could provide a new method for solving the key scientific and technical problems in research and application process.

本项目研究等离激元核-壳微腔中的腔模、回音廊模与球模的耦合，以及微腔内发光体的发射特性在荧光标记、光学编码器方面的潜在应用。.1）研究对称及非对称等离激元核-壳微腔中同阶以及非同阶腔模和球模的耦合效应，实现对等离激元腔模的精确调控。.2）研究基于等离激元微腔的多阶高Q值腔模与腔内发光体耦合的发射特性，探索在荧光标记、光学编码器的潜在应用。.3）研究基于多层金属-介质双曲超构材料包裹介质球构建的深亚波长球形共振腔中球模和多阶回音廊模的激发及其近场耦合效应，掌握对多阶回音廊模的精准调控。.4）进一步拓展无支撑胶体晶体模板沉积技术，制备尺寸、组分、形貌更加多元的核-壳复合颗粒，为解决应用过程中的关键科学与技术问题提供新的思路和新方法。

在该基金项目的资助支持下，我们研究了等离激元核-壳单层及多层结构中等离激元(SP)腔模式、球模式和回音廊模式的激发、共振性质、近场耦合作用，以及相应的电磁场分布规律和有效调控手段；此外，我们还积极改进Langmuir-Blodgett(L-B)自组装技术，为研究核-壳结构丰富的光学、磁光特性提供丰富的实验研究体系。取得主要研究成果如下：研究了等离激元核-壳微腔及多层结构中的SP激发、与分子荧光之间的近场耦合以及由此产生的新现象、新效应；通过在介质核中植入荧光分子，利用分子荧光与高阶高Q值等离激元腔模式之间的近场耦合产生的发射特性(窄线宽发射峰对环境不敏感、精准可调)，提出了生物荧光标记“探针”的新思路、新方案；理论和实验研究了悬空聚苯乙烯小球单层中的高Q (~140)值光学模式，探索了高Q值模式的调谐手段以及介质衬底对模式的影响；提出了基于局域SP或磁等离激元共振(MSP)与SPP或介质波导模式之间的强耦合效应提高表面等离激元传感器性能的新方案。此外，我们还拓展了L-B自组装技术及悬空胶体小球单层在核-壳结构制备上的应用，建立有效的能对金属或介质壳层结构的形貌、组分及厚度等参数精确调控的有效办法，为核-壳结构的光学性质和相关应用研究提供丰富的实验研究体系。.研究成果已发表SCI学术论文13篇，授权发明专利1项。