多芯光子晶体光纤中SPR共振波长激励增强SERS及低检测限研究

In the numerous Raman enhanced scattering (SERS) mechanism, the surface plasmon resonance around the metal is one of the key factors. The pore structure of the photonic crystal fiber (PCF) provides an ideal light interaction space with the samples, which has the characteristics of high excitation efficiency and no package requirement. The project starts from the basic physical image of dielectric surface plasmon resonance (SPR) and localized surface plasmon resonance (LSPR) around metal nanoparticles, and proposes the analysis model about LSPR enhancement by surface plasmon polariton (SPP) mode in SPR. Through analyzing the modes in the multi-core photonic crystal fiber (MCPCF), and considering the incdient light wavelength influence on the SPP mode excitation efficiency, the SPP contribution for SERS enhanced mechanism will be discussed with the incident light at the SPR resonance wavelength into MCPCF. In experimental work, the MCPCF sensing structure is carefully designed and fabricated. And the in-hole coating process is carried out. The theoretical study of the project will use mode coupling theory and discrete dipole approximation theory, combine SPR absorption spectrum with SERS fequency-shift spectrum measured from MCPCF to invesigate the new spectrum analysis method. It will have a profound academic value. The experimental study of improving the detection limit, which could be used for the identification of other samples in the fields of biological,chemistry, medicine, environmental protection, etc, has the broad application prospects.

在众多表面拉曼散射增强（SERS）机理中，金属周围的表面等离子体共振是其中一个关键因素。而光子晶体光纤中的气孔结构提供了一个理想的光与样品相互作用空间，具有高激励效率和无需封装等特点。本项目从介质表面等离子体共振（SPR）和金属纳米颗粒局域表面等离子体共振（LSPR）的基本物理图像出发，提出SPR中表面等离激元（SPP）模式增强LSPR分析模型。通过多芯光子晶体光纤传感结构模式分析，考虑入射波长对SPP模式激发效率的影响，探讨在共振波长入射下SPP模式对于SERS的增强贡献机理。实验上，优化设计并制作多芯光子晶体光纤传感结构，开展孔内镀膜工艺制备工作。本项目运用模式耦合以及离散偶极子理论，结合SPR吸收谱与SERS频移谱特性开展新型光谱分析研究，具有深刻的学术价值；以提高检测限为目标的实验方法还可用于生物、化学、医学、环保等领域其它样品的鉴别，具有广泛的应用前景。

在众多表面拉曼散射增强（SERS）机理中，金属周围的表面等离子体共振是其中一个关键因素。而光子晶体光纤中的气孔结构提供了一个理想的光与样品相互作用空间，具有高激励效率和无需封装等特点。为了满足超低量检测的要求，本项目提出基于多芯光子晶体光纤结构采用SPR 共振波长激励样品SERS 信号进行检测的分析方法。.本项目首先从理论上分析了多芯光子晶体光纤结构中所存在的模式特性。通过有限元算法建立数值仿真模型，针对具有特定横截面结构参数分布的多芯光子晶体光纤传感结构，掌握了传播导模和SPP模式存在形式和模场分布。借助各模式有效折射率随入射光波长变化规律，重点研究了各阶次传播超模和SPP模式间相互耦合转换特性，探讨了多芯光子晶体光纤中耦合匹配条件以及入射波长对于SPP 模式激发效率的影响。.金属纳米颗粒表面的局域电磁场增强，是SERS增强的主要因素。局部表面等离子体共振现象是金属纳米颗粒表面自由电子的集体振动。根据长波近似和准静态近似，由Mie散射理论可导出金属纳米立方体的消光系数。本项目其次针对灵敏度较高的银纳米立方体颗粒，研究了其消光比随立方体边长大小、周围介质折射率和工作波长的变化规律。仿真结果展示了共振波长随介质折射率变化的红移现象。.接着本项目中研究了多芯光子晶体光纤传感结构中存在的相位匹配条件与不完全耦合现象以及损耗匹配条件和完全耦合现象两种不同的情况下对SPP模式激发效率产生的不同影响。发现传播导模向SPP模式间转换带来的能量激发效率会因为参与耦合的模式阶次而不同。除了入射波长的变化会带来SPP模式激发效率变化之外，通过对入射光在多芯光子晶体光纤结构中聚焦位置的优化选择也会极大提高SPP模式激发效率，从而提供了另一种增强SERS信号方法。.最后本项目在实验上首先利用罗丹明B的水溶液作为SERS信号检测对象，在石英玻璃基片上通过激光共焦拉曼光谱仪在325nm和532nm两处波长分别测量罗丹明B纯水溶液以及利用金颗粒作为SERS基底的混合溶液，结果表明在532nm波长处在金颗粒混合溶液上的确具有较强的SERS信号；其次优化设计晶格组成形式、孔洞尺寸及位置等光纤结构参数并制作了两种多芯光子晶体光纤传感结构；最后还开展了光纤孔内镀膜工艺制备工作。.本项目在一年研究时间发表了SCI收录论文2篇，国际会议特邀报告1次，申请国家发明专利1项，培养研究生4人。