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等離激元增強二次諧波在超高靈敏度的納米尺度距離測量上的應(yīng)用

等離激元增強二次諧波（Plasmon-Enhanced Second-Harmonic Generation, PESHG）在超高靈敏度的納米尺度距離測量（PESHG納米尺）上的應(yīng)用

--暨簡要討論入射角度對于SHG的影響

本文引用自廈門大學(xué)楊志林教授和華中科技大學(xué)韓俊波研究員合作團隊2015年在《Nano Letters》雜志上發(fā)表的相關(guān)文章。

本文已經(jīng)經(jīng)過作者同意，進行引用。

相關(guān)信息如下：

Plasmon-Enhanced Second-Harmonic Generation Nanorulers with Ultrahigh Sensitivities

DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b02569

Nano Lett. 2015, 15, 6716-6721

本篇文章的核心內(nèi)容是關(guān)于一種新型的非線性等離激元納米標尺（plasmon nanoruler），它利用表面等離激元增強二次諧波（PESHG）機制來實現(xiàn)超高靈敏度的納米尺度距離測量（如圖1所示）。

從研究背景來看，如眾所周知的原因：

• 納米尺度測量的重要性：隨著納米技術(shù)的發(fā)展，對納米尺度特性的研究變得越來越重要。傳統(tǒng)的光學(xué)方法由于衍射極限的限制，難以實現(xiàn)納米級的空間分辨率。
• 現(xiàn)有技術(shù)的局限性：現(xiàn)有的超分辨率光學(xué)技術(shù)，如近場掃描光學(xué)顯微鏡（NSOM）、超分辨熒光顯微鏡、表面增強拉曼光譜（SERS）和尖端增強拉曼光譜（TERS），雖然取得了一定研究進展，但仍面臨挑戰(zhàn)，如測量精度和信號穩(wěn)定性等問題。

圖1. PESHG納米標尺的系統(tǒng)描述

在研究方法上，本文作者設(shè)計了一種基于PESHG的非線性納米標尺，通過引入Au@SiO2（金核@二氧化硅殼）殼層隔離納米顆粒（SHINs），以精確調(diào)控納米間隙（gap）大小。

通過在金膜上放置具有不同厚度二氧化硅殼層的SHINs，構(gòu)建了film-SHIN構(gòu)型（如圖2所示）。使用可調(diào)諧的鈦寶石激光器進行SHG測量，入射角為45度，以優(yōu)化信號強度和減少背景噪聲。采用三維時域有限差分法（3D-FDTD）計算模擬以驗證實驗結(jié)果，并分析PESHG增強因子（PESHG-EF）與納米間隙大小之間的關(guān)系。從而得到了不錯的實驗結(jié)果。

圖2. SHIN薄膜相關(guān)形貌表征測試

*終的實驗結(jié)果顯示，SHG信號強度隨激發(fā)功率的增加呈二次方變化（如圖3a所示），且隨著激發(fā)波長從740 nm調(diào)諧到890 nm，發(fā)射峰位置從370 nm移動到445 nm，從而驗證了信號的非線性關(guān)聯(lián)性。

不僅如此，課題組還對于其他影響因素進行了判斷。

• 納米間隙的影響：PESHG信號強度隨納米間隙大小的增加呈指數(shù)衰減，表明PESHG信號主要來源于film-NP納米間隙區(qū)域（如圖4所示）。
• 基底依賴性：信號測量同樣在film-SHIN和film-NP構(gòu)型以及不同的基底（硅基底和金基底）上進行，泵浦波長為785nm（如圖3b所示）?？梢?，觀測到的二階非線性光學(xué)信號在film-SHIN（55@1@Au）構(gòu)型上信號達到*大值（具有較弱且較寬的雙光子激發(fā)發(fā)光背景），驗證了信號主要來源于納米間隙中激發(fā)的間隙電磁模式（如圖3d所示）。進一步，在金膜上的SHINs和裸金納米顆粒之間的PESHG信號比較結(jié)果表明，隔離硅殼不僅可以提供一個天然的納米間隙以通過近場耦合效應(yīng)局域入射光場，還可以顯著避免上下表面之間的電荷交換帶來的信號淬滅。同時，在硅膜上的SHINs實驗表明，當(dāng)排除金屬基底的影響時，PESHG強度顯著降低，表明在PESHG系統(tǒng)中，納米顆粒-金膜耦合誘導(dǎo)的間隙電磁模式而非顆粒間耦合在觀察到的PESHG信號中起主導(dǎo)作用。

偏振依賴性：PESHG信號強度*大值隨入射偏振角的變化呈周期性余弦波形，*大強度出現(xiàn)在p偏振角（即n*π，n=0,1,2）時（如圖3c所示），進一步證實了信號主要來源于納米間隙中激發(fā)的間隙電磁模式（如圖3d所示）。

本文中，重點使用了PESHG技術(shù)：

通過將可調(diào)諧的鈦寶石激光聚焦到SHINs上，以45°的入射角照射，同時使用CCD相機收集反射散射的SHG信號來完成SHG的測量。由于減少了入射電場的平行分量，通過斜向入射可以顯著降低顆粒之間的耦合。由于40μm直徑的入射光斑遠大于SHINs的直徑，實驗觀察到的PESHG信號代表了亞單層SHIN系統(tǒng)的平均性能，使我們能夠*小化由于單個非球形納米顆粒形狀變化導(dǎo)致的信號偏差。

圖3. PESHG信號相關(guān)的激發(fā)功率、偏振極化和形貌材料變化關(guān)聯(lián)性及其對應(yīng)的間隙電磁共振模式分析。

在本文中，入射角度和偏振其實都會對SHG的信號有著顯著的影響。

在SHG實驗中，選擇45度入射角主要有以下幾個原因：

1. 優(yōu)化耦合效率

• 增強電場耦合：45度入射角可以有效地激發(fā)該納米結(jié)構(gòu)中的間隙電磁共振模式。在以上角度下，入射光的電場分量能夠更有效地與納米結(jié)構(gòu)相互作用，從而增強電場耦合。這對于提高SHG信號的強度至關(guān)重要。
• 減少平行分量：斜向入射（如45度）可以減少入射電場的平行分量，從而降低顆粒之間的耦合。這有助于減少由于顆粒間相互作用導(dǎo)致的信號干擾，使測量到的SHG信號更準確地反映納米顆粒與金屬基底間的納米間隙大小變化。

2. 提高信號強度

• *大化SHG信號：實驗表明，45度入射角可以*大化SHG信號的強度。這是因為在這種角度下，入射光與納米結(jié)構(gòu)的相互作用*為有效，能夠產(chǎn)生更強的二次諧波信號。
• 實驗驗證：在實驗中，通過調(diào)整入射角，研究人員發(fā)現(xiàn)45度入射角能夠產(chǎn)生*強的SHG信號。這表明在這種角度下，激發(fā)和再發(fā)射過程中的電磁場分布*為優(yōu)化。

3. 減少背景噪聲

• 降低背景信號：45度入射角有助于減少背景噪聲。斜向入射可以減少直接反射和散射光的干擾，從而提高信號的信噪比。這對于檢測微弱的SHG信號尤為重要。
• 提高測量精度：通過減少背景噪聲，實驗測量的精度和可靠性可以顯著提高。這對于精確測量納米結(jié)構(gòu)中的非線性光學(xué)效應(yīng)至關(guān)重要。

4. 實驗設(shè)計的便利性

• 對稱性考慮：45度入射角在實驗設(shè)計中具有一定的對稱性，便于實驗裝置的對準和調(diào)整。這種對稱性可以簡化實驗設(shè)置，提高實驗的可重復(fù)性和穩(wěn)定性。
• 標準實驗配置：在許多光學(xué)實驗中，45度入射角是一個常用的選擇，因為它能夠平衡多種因素，如信號強度、背景噪聲和實驗裝置的復(fù)雜性。這種標準配置有助于實驗結(jié)果的比較和驗證。

• 理論模擬：通過有限差分時域（FDTD）模擬，研究人員發(fā)現(xiàn)45度入射角能夠有效地激發(fā)納米結(jié)構(gòu)中的局域電磁場，從而增強SHG信號。這些模擬結(jié)果支持了實驗中選擇45度入射角的合理性。
• 多極相互作用：在45度入射角下，納米顆粒與基底之間的多極相互作用可以被顯著激發(fā)。這種多極相互作用對于產(chǎn)生強的SHG信號至關(guān)重要。

偏振的影響，我們在下一篇推文中會繼續(xù)關(guān)注。

圖4. PESHG納米尺測量結(jié)果展示

*終，通過PESHG機制，作者成功實現(xiàn)了約1納米的空間分辨率，顯著提高了納米尺度距離測量的靈敏度。同時，通過改變二氧化硅殼的厚度，可以精確調(diào)控納米間隙大小，從而實現(xiàn)對PESHG信號的精確控制。

與傳統(tǒng)的線性等離激元納米標尺相比，PESHG納米標尺在光譜精度和信噪比方面具有顯著優(yōu)勢，能夠更準確地測量納米尺度距離。這種PESHG納米標尺有望在納米技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)成像和材料科學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

本文中的相關(guān)研究提供了一種全新的，具有超高靈敏度的光學(xué)測量方法，能夠突破傳統(tǒng)的光學(xué)衍射極限，實現(xiàn)納米尺度的精確測量，對于近場光學(xué)部SNOM，TERS等都有著比較好的參考價值。

通過實驗和模擬相結(jié)合的方法，深入理解了PESHG機制在納米尺度上的應(yīng)用，為非線性光學(xué)和納米技術(shù)領(lǐng)域提供了新的理論依據(jù)。

總的來說，這篇文章展示了一種基于PESHG的新型非線性納米標尺的設(shè)計、實驗驗證和理論模擬，證明了其在納米尺度距離測量中的巨大潛力。

在此，特別恭喜廈門大學(xué)楊志林教授和華中科技大學(xué)韓俊波研究員合作團隊！

卓立漢光亦有參與。

*后，歡迎各位咨詢我們的SHG相關(guān)產(chǎn)品。