用于光学纳米成像的白色纳米光源

基于尖锐金属纳米结构附近等离子体激元共振激子的纳米光源引起了光学纳米成像的极大兴趣。然而，共振现象只适用于一种与等离子体共振的波长。与等离子体共振相比，替代等离子体纳米聚焦方法可以通过在锥形金属纳米结构上传播和压缩等离子体来产生纳米光源，与波长无关，因为它依赖于传播。在一份新的报告中科学进展、Takayuki Umakoshi 和应用物理和化学研究团队通过等离子体纳米聚焦产生了跨越整个可见光范围的白色纳米光源。使用该过程，他们展示了碳纳米管 (CNT) 的光谱带隙纳米成像。白纳米光源的实验演示将使不同的研究领域朝着下一代纳米光子技术发展。

多个波长的光在受限的纳米体积中共存可以构成有趣的光学效应。因此，独特的纳米光通过提供机会在一系列波长范围内探测样品，或在纳米尺度上诱导不同波长之间的光-光相互作用，从而成为用于各种研究领域的有前途的平台。近几十年来，光学天线在通过金属纳米结构中的局域等离子体共振将光限制在纳米尺度上发挥了重要作用，从而导致了对纳米光的前所未有的研究，包括光场增强。由于等离子共振是一种共振现象，它不能促进宽带纳米光的产生，因此，等离子体纳米聚焦作为产生纳米光源的替代方法受到了更广泛的关注。在此过程中，纳米级光源可以通过在金属锥形超结构的顶点处传播和超聚焦表面等离子体激元(SPP)来设计。这项工作导致纳米级光场在顶点处得到极大增强，并导致无背景照明。科学家们已经探索了由此产生的具有高非线性转换效率的四波混频的宽带特性。等离子体纳米聚焦宽带光源是跨不同研究领域的强大工具。

在这项工作中，Umakoshi 等人。引入了跨越整个可见波长范围的白色纳米光源——通过等离子体纳米聚焦产生。他们展示了使用白色纳米光源对碳纳米管进行宽带能带隙光学成像。尽管等离子体纳米聚焦可以在很宽的波长范围内激发，但由于构成锥形结构的材料的限制，研究人员仅在近红外范围内使用它。他们曾使用金作为材料来形成锥形锥形结构和较低的欧姆损耗，但此类实验 仍停留在近红外波段范围内，而不是在可见光或紫外线范围内。马越等人。最近还开发了一种基于热蒸发形成锥形金属结构的有效制造方法，其中该构造包括具有锥形尖端的市售硅悬臂。以金字塔的表面为基础，他们获得了二维金属锥度，并创造了一种极其光滑的金属涂层，适用于包括银在内的一系列金属类型。使用银锥，该团队在 642 nm 处获得了 100% 可重复性的高效等离子体纳米聚焦，并在广泛的可见光波长范围内进行了白色等离子体纳米聚焦。

设计和工程用于宽带等离子体纳米聚焦的锥形金属结构

马越等人。开发了一种锥形金属结构，以在氧化硅金字塔尖上保持宽带白色纳米光源，金字塔表面涂有薄银层。他们使用银中 200 纳米 (nm) 的单个狭缝耦合可见光范围内的光，并使用以下方法计算了多个激发波长下顶点附近的电场分布有限差分时间域计算(FDTD) 方法。该团队观察到在 460 nm 到 1200 nm 的激发波长下限制在顶点尖端的强电场。这项工作展示了 200 纳米宽的狭缝如何产生跨越整个可见区域甚至到达近红外区域的宽带纳米光源。在制造过程中，科学家们使用了一种市售的锥形硅悬臂尖端。他们氧化了硅悬臂，并开发了 1 nm 表面粗糙度的光滑银涂层，以减少SPP(表面等离子体极化子)传播过程中的能量损失。

通过等离子体纳米聚焦和进行光谱带隙成像产生白光源

为了了解通过基于等离子体纳米聚焦的锥形结构产生受限白光的过程，该团队用相干超连续激光照射狭缝结构跨越很宽波长范围的。当入射偏振垂直于狭缝时，他们注意到与模拟一致的设置中的最佳耦合。随着波长的缩短，散射效率增加。因此，该团队通过实验观察到较短波长范围内的强度较高。

他们使用等离子体纳米聚焦白光源对 CNT(碳纳米管)进行光谱纳米分析。在实验过程中，位于顶点尖端的白色纳米光源与包含多个带隙的 CNT 束相互作用。散射信号在实验过程中增加，表明具有与碳纳米管带隙相同能量的光子。马越等人。然后将该方法与拉曼光谱相结合，以检查CNT 样品的手性。

这项工作中的等离子体聚焦白光源是带隙纳米成像的基本且有效的光状态。这项工作将为各种可能的应用铺平道路，包括探测生物分子以了解它们在纳米级空间分辨率下的吸收特性。中红外宽带纳米光源也将在材料科学和分子生物学中发挥作用。该技术还可以提高表面增强拉曼光谱研究分子振动的分析能力。

通过这种方式，Takayuki Umakoshi 及其同事使用等离子激元纳米聚焦在锥形银结构的顶点生成了白色纳米光源，以对碳纳米管进行纳米分析。该团队设计并设计了一种锥形结构，可在宽波长范围内诱导等离子体纳米聚焦。光谱带隙技术将在材料科学和生物研究的纳米尺度上具有广泛的应用。所展示的工作只是一个例子，基于具有出色波长灵活性的强大而基本的纳米级光学工具，可以实现多种应用。

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