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测量纳米系统的新型光学腔

2015-07-17 10:11
FlappyBird
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  近日,慕尼黑报道,一种新型的显微镜利用光学腔可以显著增强图像信号,且能够测量每个纳米粒子的结构和运动特性。

  研究人员说,这项技术可以应用在生物、化学以及纳米科学领域。例如,研究大分子的时间动态(蛋白质的折叠),以及纳米材料特性和对量子发射极的光谱测量。

  新型扫描腔显微镜正在对纳米粒子成像。    

  “我们的方法是把用来成像的探针光陷在一个光学共振腔里。在共振腔里,这个探针光可以循环上万次。”DavidHunger说,“这增强了光和样品间的相互作用,因此可以更容易地对信号进行测量。而对于普通显微镜,信号强度仅为入射功率的百万分之一,这使得测量变得困难。共振腔使信号增强了50000倍。“

  共振腔的一侧是一个平面镜,同时也作为待测纳米粒子的载体。另一端则是一个在光纤尾端弯曲的镜子。

  激光通过光纤耦合进共振腔。平面镜会随着光纤移动,使待测粒子到达焦点。与此同时,还需要调节两个镜子间的距离来满足腔共振的条件。这要求精度达到皮秒量级。

  研究人员首次测量使用的是直径40nm的金球。

  “我们选用金原子作为参考系,因为它的特性是已经可以精确测量的,所以可以检查我们测量系统的准确性。”Hunger说。“在我们的测量系统通过精确性检验后,就可以测量粒子光学特性,并与计算得到的特性进行对比。”

  相比于其他依赖直接信号增强的方法,这种方法的光场很小,使用基模的空间分辨率可达到2um。加入高阶模式后,分辨率可以增加到800nm。

  当同时获得单个粒子的吸收特性和散射特性时,该测量方法将更加强大。这与粒子的特性息息相关。在这次实验中,研究队伍测量了金纳米柱,测得尺寸34×25×25nm。

  “光偏振态与金柱轴平行时比正交时的共振态转换,比正交时更大,因为正交时会有两种不同的共振频率。”Matthias Mader说。“这种双折射现象可以被精确测量,而且可以作为测量粒子形状和方向的参数。”

  相关研究发表在NatureCommunications(doi:10.1038/ncomms8249开放获取)。

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