“極端光學創新研究團隊”在超高靈敏光學微腔傳感研究中取得新進展

超高靈敏傳感檢測技術在環境監控、重大疾病早期預防和生化安全等方面具有十分重要的意義。然而，當待測顆粒物濃度極低且尺寸進入納米量級時，檢測變得極為困難。日前，beat365官方网站“極端光學創新研究團隊”肖雲峰研究員和龔旗煌院士在利用超高品質因子光學微腔增強傳感靈敏度的基礎上，開發出了一種基于耗散型相互作用的無标記傳感技術，并成功實現了納米尺度單顆粒的實時檢測。這項最新研究成果近日在線發表在《物理評論：應用》 (Physical Review Applied 5, 02401 (2016))上，并同期評述為“朝着實用化光學傳感邁進了重要一步”(“This innovative approach presents a significant step towards practical optical sensors for use in physics, analytical chemistry, environmental science, and molecular biology”)。

研究小組人員采用的微腔為微芯圓環腔，如圖1所示。光在旋轉對稱微腔的内表面發生連續全反射，幹涉疊加形成回音壁共振模式，其原理類似于聲音在北京天壇回音壁的牆面傳播，故而得名。超高品質因子回音壁模式極大的增強了光與待測物質之間的相互作用，因而傳感靈敏度得到顯著提升，吸引了國際學術界越來越多的關注。beat365“極端光學創新研究團隊”已在光學微腔傳感方面取得了一系列高水平的原創成果。他們利用微腔增強的背向散射和微腔拉曼激光均實現了單個納米顆粒的檢測【PNAS 111(41), 14657(2014); Advanced Materials 25(39), 5616 (2013)】，成果入選“2014年度中國高校十大科技進展”。

傳統的光學微腔傳感機制主要基于色散型相互作用，依賴于待測顆粒在腔模電場下的極化率實部。因此，當待測物的極化率實部趨于零時，色散型傳感機制失效。為了解決這個問題，創新團隊成員創新的提出了基于耗散型相互作用的傳感機制，其主要依賴于待測顆粒的極化率虛部，具體表現為微腔模式的線寬變化。實驗上，他們以單個金納米棒（40 nm × 16 nm）作為檢測對象來評估傳感器性能：當傳感器工作在等離激元共振時，金棒極化率實部趨于零，導緻色散型傳感無法獲得有效信号；而耗散型傳感機制由于響應其虛部，則以較高信噪比實現了單個納米顆粒的檢測，如圖2。基于耗散型相互作用的微腔傳感機制不但有利于檢測具有吸收性能的納米顆粒，而且可以進一步結合色散型傳感，得到待測顆粒的更多信息，從而擴充了納米尺度單顆粒檢測的維度。

系列研究工作得到了科技部973計劃、國家自然科學基金委項目、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室及2011協同創新中心的支持。