Bloch 表面波的可调谐场增强及其在微纳材料分析中的应用研究

Due to its capability of revealing some of the fundamental relations of materials at boundaries or boarders, micro and nano material analyses open the new research fronts in basic sciences. Fluorescence and Raman scattering, are the two frequently adopted methods in these researches, where the signals are enhanced by surface optical fields. Currently, the signal enhancement is based on the surface plasmon resonance (SPR) and/or Bloch surface wave (BSW), respectively, which exhibits a common shortcoming, that is, the strength of the enhanced field can not be varied in the experiments. Besides, the field enhancement factor (EF) is subject to the sample preparation conditions and experimental manipulations, so that uncertainty and unpredictability in EF usually exist. Tunable enhancement of optical field is therefore highly desirable with which field intensity dependent studies on signals of the fluorescence or Raman scattering can be implemented. And quantitative comparison among those signals obtained from a series of different enhanced interacting fields become possible. These new phenomena hopefully could reveal more subtle structural information of the materials. So far, theoretically, we have found that the tunability of optical field enhancement in Bloch surface wave, in a relatively large region (8 orders of magnitude) on the EF, could be obtained via a composite optical waveguide structure composed of periodic dielectric films and a layer of liquid crystal material. In this project, we propose to study this kind of composite structure by means of theoretical analysis, and experimental fabricating and testing, so that the tunability could be reliably testified. With this tunable source of optical field enhancement we plan to explore some new regime of excitation field intensity dependent measurements on fluorescence and/or Raman scatterings.

对微纳材料的分析可以在微观层面揭示表/界面的许多基本问题而成为科研的重要前沿. 表面增强的荧光和拉曼散射是两种重要的研究方法, 分别基于表面等离子体增强和Bloch 表面波的场增强机制. 目前这两种增强机制存在的一个共同问题是, 在共振条件下光场的增强量易受制备及应用条件的影响而存在一定的不确定性, 且不可调整. 理论计算表明, 一种叠合周期性多层介质膜和液晶层的复合平面波导能够在较大(8个量级)的范围内调节Bloch表面波光场的强度. 利用由此产生的可调倍率的增强场与微纳材料相互作用, 有望了解相关(荧光或拉曼)信号的场强依赖关系, 结果可作原位量化对比, 从而有望揭示出新的结构信息及其变化规律. 本项目我们拟通过理论设计, 器件制备, 和实验测量的方法, 研究和优化这种可调谐的Bloch表面波场增强平面波导结构, 并用其对微纳材料的荧光和拉曼散射信号进行量化研究.

由于单分子或纳米颗粒的尺度限制, 常规的荧光和拉曼测量信号极其微弱, 从而对具有信号增强作用的方法的研究就成为迫切的需要. 现有的关于信号增强的方法中, 主要有表面(或针尖)增强的拉曼散射以及Bloch表面波BSW的增强方法等. 其所存在的共同的缺点, 是其场增强受制备和使用条件影响, 存在一定的不可预期性. .针对上述问题我们研究了一种基于液晶的复合平面光波导对表面波场的增强作用, 利用液晶的可调谐电光性质调控复合波导层中的导模结构, 实现了表面波场的可调谐场增强. 我们首先在理论上构建了液晶光波导的结构参数, 并用传输矩阵方法对波导结构的光场分布进行了数值模拟, 在波导入射角为51.509度, 液晶层的调节电压在1.52伏时, 得到了最大的光场强度的增强因子, 达到244.1倍. 即超过了两个数量级. 并且, 在电压调节的范围内, 即1.3-1.52伏, 实现了场增强的单调连续调节. 随后, 我们着手进行实验测量研究, 初步建立了表面倏逝波场空间分布测量系统, 这种具有原位可调的场增强机制将有利于量化对比不同的场强激发的荧光或拉曼光谱, 有望提取更多的材料结构信息. 有关场增强的实验测量还在进行中..在进行上述场增强测量的研究过程中, 我们还发现了一些非常奇特的导模共振的光学滤波效应, 即所谓的双棱镜耦合的光学带通滤波, 可只需要很少数量的膜层就可实现具有纳米至皮米级带宽的光学带通滤波作用. 在这些滤波结构中, 我们分别实现了在可见光波段的单通带, 多通带, 平顶型带通滤波器及其可调谐性及可重整性, 非偏振型的窄带宽带通滤波, 以及可调式非偏振带通滤波作用. 并且, 上述这种双棱镜耦合的带能结构还可以实现光学传感作用, 其光学透过率, 通带的带宽, 及峰值波长等参数均可作为传感的监控参量.