表面等离激元纳米光源和纳米光学显微镜

Conventional near-field optical microscopic imaging is limited by the optical probes, that is, the weak signals in aperture type fiber tips and polarization unintegrity of the scattered light by apertureless tips. Novel near-field optical microscope based on surface plasmons supported by metal nanowires can overcome such limitations, facilitating functionalities such as nanoscale illumination with high intensity, polarization reservation and high spatial resolution. Surface-plasmons supported by metal nanowires have unique characteristics including local electromagnetic field enhancement, propagation beyond the diffraction limit and controllable polarization status, implying important applications in nanoscale light source, cell detection/therapy and chirality identification in biology. This project will cover equipment master plan, accessories design and assembly, sample characterization and technical specifications assessment. The meanwhile, related scientific problems will also be investigated. We will first establish the technical specifications for the performance of the equipment, and then proceed with corresponding accessories design and purchase. The two key technical problems, i.e., fabrication of metal nanowire probes and detection of weak optical signals, will be the focus of the project. In the last stage, we will assess the technical specifications by comparing the optical images of standard samples to conventional near-field scanning optical microscope, and extend the system to measure complex samples, such as biological cells and chiral molecules, in order to impact its application in life science.

常规近场光学显微镜的成像受限于所用的针尖，即有孔型光纤尖端的弱信号和无孔型针尖散射光偏振信息的不完整。基于表面等离激元的新型近场光学显微镜则可以突破这些局限，实现高强度局域照明、出射光的保偏、高空间分辨率等功能。金属纳米线中激发的表面等离激元具有局域电磁场增强、传播不受衍射极限的限制以及偏振状态可控等特点，在纳米光源、生物细胞检测和分子手性识别方面具有潜在的应用价值。本项目的实施将主要围绕仪器整体规划、部件设计与组装、样品表征与技术指标验证这三个方面，同时展开对相关基本科学问题的研究。我们将首先定位本项目的基本技术指标，从而进行部件设计和采购。集中解决两大关键技术问题，即金属纳米线探针的制作和系统稳定性及弱光学信号的探测。最后我们将采用标准样品对仪器进行技术指标验证，并尝试扩展到复杂样品，如生物细胞样品和手性单分子样品，研究细胞内部分子结构，以及利用纳米光源的手性偏振对分子进行手性识别。

本项目探索利用金属纳米线中传播型等离激元的端面发射作为纳米光源，对样品进行近场光学显微成像，解决在近场光学显微技术存在的信号弱、不保偏、空间分辨率低的问题，实现在光学分辨率和光学测量效率的提高。围绕上述目标，项目在仪器研制方面解决了金属纳米线近场扫描探针的制备和弱信号测量两大关键技术问题，在针尖系统、扫描系统、激发系统、探测系统四方面开展工作，实现了基于金属纳米线针尖的样品表面形貌成像和近场光学成像。在金属纳米线结合锥形光纤端头的纳米光源制备方面，我们摸索出一整套工艺，包括使用熔融法和腐蚀法制备锥形光纤头，具有20nm端头直径的金属纳米线的化学合成，金属纳米线的氧化物包裹层制备，以及微操台在光纤头上粘结纳米线等，使得针尖在空间分辨率，使用寿命和降低背景杂散光方面性能得到提高。在扫描反馈方面实现了自制的基于振幅/相位反馈模式的音叉反馈扫描系统。对于弱信号的采集，我们采用单光子计数器或光电倍增管来探测，并采用了基于针尖振动信号调制的锁相放大器，基于共聚焦+暗场采集的背景信号隔离机制，以及基于荧光/拉曼/二次谐波等非线性过程的成像方案来隔离背景信号等若干方案。在机理研究方面，我们对纳米线光源的近场分布、发射特性、纳米线与量子点的耦合机制、纳米线导致的光的自旋-轨道角动量转换、液相环境中纳米线光源对微粒的操控等方面进行了研究。通过纳米线表面介质包覆层厚度的调制可以实现对等离激元近场分布、端头发射方向的高度可调控。研究了纳米线与发光基团（单量子点）的耦合效率，为单光子探测提供了实验基础。研究了表面等离激元增强的光子自旋-轨道耦合效应，解释了纳米线将入射光子的自旋角动量耦合为光子的轨道角动量的机制，为纳米线光源的手性探测提供了理论依据，可指导设计新型等离激元自旋光子器件和光学拓扑器件。通过纳米线波导表面的电场梯度诱导产生的光学梯度力和光在纳米线中的吸收而产生的热效应导致的液体的热对流，实现对二氧化钛纳米颗粒在液相环境下的捕获和输运，使得纳米线针尖兼具探测和操控功能，在生物细胞、蛋白质等的操控和定位研究方面具有很好的应用前景。