基于Fano共振型超材料的表面增强单分子CARS光谱研究

Plasmonic metamaterials have prominent applications in spectroscopies and biological and chemical sensing. The weak signals (even single-molecule signals) can be effectively detected due to its huge resonant plasmon field enhancement. In this application, we will use plasmonic metamaterials with Fano resonances to enhance and amplify single-molecule CARS spectra, and explore and solve the basic scientific problems of the light-matter interaction among them. Firstly, we will design the metamaterials with asymmetric substructures. In order to obtain the maximum signal enhancement, the Fano resonance (dark mode) peak should match with the wavelength of pump light, and different bright modes correspond to the Stokes and anti-Stokes signals; Secondly, we will study on the transformation and interaction among the light, plasmon and nonlinear Raman signals, and investigate the physical mechanism and effective method to realize the single-molecule Raman detection and key points to enhance the nonlinear Raman signal and probing sensitivity. This work will provide experimental support and reference for probing weak signals of unknown molecules and high sensitive sensing.

等离激元共振超材料在光谱探测和生物传感等领域具有重要的作用，利用其在共振条件下巨大的电磁场增强可以实现对弱信号的有效探测，甚至可以达到单分子灵敏度。本项目利用具有Fano共振效应的超材料作为巨大场增强芯片来实现对生物单分子相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）信号的放大和探测，探索和解决其中光与物质相互作用的基本科学问题。首先，设计合适的超材料金属非对称结构单元，使其Fano共振峰（暗模式）与泵浦光源的波长相匹配，不同的亮模式分别与斯托克斯光及反斯托克斯光对应，以便实现最大的信号增强；其次，研究光－等离激元－非线性拉曼信号之间内在关联和相互影响，探讨利用超材料不同共振模式实现单分子拉曼探测的物理机制和有效途径，以及增强非线性拉曼信号和分子探测灵敏度的关键因素。通过本项目的研究将为弱信号条件下的未知分子探测和高灵敏度传感提供实验支持和借鉴。

等离激元共振超材料在光谱探测和生物传感等领域具有重要的作用，利用其在共振条件下巨大的电磁场增强可以实现对弱信号的有效探测，甚至可以达到单分子的灵敏度。本项目主要设计了多共振基底、Fano共振结构以及纳米天线对等超材料结构，并对其光学性能、近场局域特性以及表面增强CARS等特性进行了详细的研究。通过我们的研究，可以发现要想实现CARS的最有效增强，设计表面增强的超材料基底是关键。通过理论计算我们设计的多共振基底的表面增强CARS的增强因子，可以达到10^15~-10^16量级。而要想实现如此大的增强效果，表面增强基底则必须要满足下面三个条件：（1）多个共振模式的激发和强局域场的形成；（2）多等离子体共振光谱与泵浦光、反斯托克斯光和斯托克斯光的光谱重合；（3）多等离子体共振模式具有相同的空间热点分布。另外，我们也设计了具有Fano共振结构表面增强基底，我们理论上研究了具有一定间隙对称放置的十字架二聚体纳米结构的光学性能。该结构中，通过亮、暗偶极子共振模式的相互作用，等离子Fano共振现象可以被实现。亮模式源于电偶极子共振，而暗模式源于基于LC共振的磁偶极子共振模式。我们发现通过调整二聚体纵向子单元结构的长度，可对Fano共振线型进行调整。而且当上下子单元长度不同时，会出现一个额外的共振峰。这一现象为我们实现SECARS提供了新的途径。当我们调整结构参数可使CARS频率匹配关系的三个不同波长的电场热点局域在相同的空间位置。通过对结构的合理设计，证明了该十字架二聚体结构可被应用在表面增强基底中，其最大增强因子达到1013。通过我们的研究，揭示了光-等离激元-拉曼信号之间的内在关联和影响，验证了利用超材料不同共振结构实现巨大的电磁场增强和表面增强CARS的有效性，弄清楚了影响增强非线性拉曼信号的关键因素。该项目为弱信号条件下的未知分子探测和高灵敏度传感提供了理论支撑和借鉴。