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第一作者：Sanggon Kim

通訊作者：劉明、閆若雪

通訊單位：加州大學河濱分校

研究亮點：

1. 提出了一種兩步走納米聚焦新思路，在大部分可見光區將光學轉化效率提升2個數量級。

2. 設計了首例光纖耦合納米線近場光學掃描探針，光激發和信號收集都通過探針實現，無透鏡系統，不需要調光路，大大簡化了高分辨納米光學成像的儀器和操作。

3. 首次實現全光纖無透鏡針尖拉曼成像，在簡單的便攜式微型桌面STM上即可達到1nm的針尖拉曼成像分辨率。

4. 基于光纖的納米聚焦技術大大提高了納米掃描光學探針性能和多功能性，使納米光學顯微技術易于結合到各種現有的測量平臺。

NSOM現狀和挑戰

在近場掃描光學顯微鏡（NSOM）中，激發光被匯聚成直徑遠小于波長的倏逝波（evanescent wave）。當倏逝波與樣品距離極小時，光學分辨率就僅僅決定于倏逝波的尺寸而非衍射極限。盡管NSOM作為一項突破了遠場分辨率極限的技術由來已久，而且多項理論及實驗改進方案被提出并驗證，然而事實上由于種種技術限制，NSOM在近20年來發展緩慢。

其中一個重要限制來自于NSOM探針的光學轉化效率。目前使用的探針，尤其是高空間分辨率的探針只能將少于10^-3的入射光轉化為倏逝波，而未被轉化的入射光則變成了背景噪音。此外極為復雜的探針制作、儀器設計和敏感的光路校準等實際問題極大的限制了NSOM與其他科研設備的結合應用。

成果簡介

針對現有NSOM探針的上述種種問題，近日加州大學河濱分校的閆若雪教授和劉明教授課題組合作在NSOM探針的轉化效率上做出了重大突破——發布了一種兩步走寬波段納米聚焦技術，使用光纖耦合銀納米線掃描探針同時入射激光和收集光譜信號。此項技術將外部納米聚焦效率從現有的約千分之一提升了幾個數量級，達到了史無前例的50%，并且可應用于幾乎所有可見光范圍。應用此項技術，他們成功地將一個教學用的STM設備改裝成無透鏡全光纖針尖增強拉曼光譜儀，并達到了1 nm的空間分辨率。

圖1. 兩步走納米聚焦概念圖。

要點1：選擇激發模和納米聚焦

高效率納米聚焦的基礎是選擇性高效激發徑向偏振的表面等離子模式（surface plasmon polariton, TM₀ mode）。因為相較于其他高階模尤其是HE₁ SPP模，TM₀模沒有截斷直徑的限制，所以可以被有效匯聚到銀納米線尖端。為實現選擇性激發TM₀模，本文采用了對不同階的模分段耦合的方式。如圖1d，f所示，線偏振光(p-LP₀₁)由光纖導入并向漸細的光纖端部傳導。隨著光纖變細，有效模指數n_OF和相常數k_OF減小。當n_OF接近銀納米線SPP TM₀模指數時，大部分的入射光能量由光纖的LP₀₁模轉為銀納米線中的TM₀ SPP模。當k不匹配時光纖和銀納米線之間的能量隧穿停止，因此由光纖導入的能量被鎖在銀納米線TM₀模中。圖1e揭示了納米聚焦過程。TM₀ SPP模攜帶大部分的入射光能量被進一步壓縮到銀納米線的尖端。通過利用約40°角度的尖頭銀納米線，在可見光波長范圍內可實現約70%的納米聚焦效率。

要點2：實驗證實有效在銀納米線中選擇激發TM0

研究團隊使用光學顯微鏡在銀納米線和光纖連接處至銀納米線尖端之間沿著探針軸方向改變聚焦平面的方法驗證上述選擇性激發TM₀模理論的可靠性（圖2a）。實驗證明在532 nm和633 nm激光激發下，銀納米線與光纖連接處的散射幾乎為零，證明了極高的耦合效率。在銀納米線尖端的甜甜圈形的光斑成功證實選擇性激發TM₀模。隨后k空間成像（圖2e）進一步證實了在532 nm和633nm波長激光激發下，銀納米線尖端TM₀ 模占主導地位。

圖2. 實驗證實選擇性高效激發TM₀模。

要點3：FIFO-NSOM STM-TERS

上文展示了高效納米聚焦技術并證實了光纖銀納米線耦合探針中可選擇性激發TM₀模。以光纖和尖頭銀納米線為基礎的掃描探針與普通STM設備構成的TERS無需笨重的光學系統和精密的校準步驟卻展示出極高的性能。利用這種簡便的設備，作者首次在單壁碳納米管上進行了無鏡頭STM-NSOM-TERS實驗，達到了1 nm的空間分辨率。

圖3. 高分辨率全光纖TERS。

要點4：耦合模的演化

為進一步理解選擇性激發TM₀模和雙向寬帶耦合，作者研究了銀納米線和光纖連接處不同模的演化過程。如圖4a所示，在納米聚焦過程中，當LP₀₁模 （532 nm）從左邊入射時，從光纖到銀納米線的能量隧穿始于距光纖端部6微米處。因為首先滿足LP₀₁-TM₀模相匹配，大部分的能量被轉移到TM₀模中，僅有少量能量殘余在光纖內，留待LP₀₁-HE₁模相匹配。因此在4微米的耦合范圍內，超過99%的入射能量轉移到了銀納米線中。盡管金屬會將光轉化為熱，而在光纖端部仍有約70%的能量被保留在TM₀模中。信號收集過程與納米聚焦反向但是同樣依賴于諧振模耦合。圖4b解釋了反向耦合過程中模的演化，TM₀模首先利用LP₀₁模做跳板耦合到HE₁模，然后在相應的相匹配區域耦合到LP₀₁模。由于耦合區域的錐體構造可以滿足不同波長的相匹配條件要求，AgNW-OF耦合器可適用于大部分的可見光譜。正向和反向的TM₀模的外部耦合效率在整個綠光和紅光范圍內都能達到60~70%。隨后作者利用k空間成像實驗量化了TM₀模比重和外部耦合效率。實驗證明200 nm直徑的銀納米線能實現最高的TM₀模選擇性，在532，633和671 nm波長激光激發時，TM₀模的比重為別為40%， 72%和66%。

圖4. 諧振模耦合過程里分離區域中模的演化過程。

小結

該工作展示了以光纖為基礎的兩步走納米聚焦方法可將外部納米聚焦效率大規模提升達到近50%。這項技術可與多種掃描探針顯微鏡結合而無需笨重光學聚焦系統即可實現超強信號增強和干凈的光學背景。使用這種探針與簡易的STM設備結合，作者在無鏡頭TERS實驗中實現了1nm分辨率并在低于1 μW入射激光下獲得了1520 cps的信號強度。更為重要的是這種簡單而又可在納米層級高效入射和收集光信號的方式，在與其他已有高分辨設備結合共同使用方面有著極大潛力。

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參考文獻：

Kim,S., Yu, N., Ma, X., Zhu, Y., Liu, Q., Liu, M.* & Yan, R.* Highexternal-efficiency nanofocusing for lens-free near-field optical nanoscopy.Nature Photonics, 2019.

DOI:10.1038/s41566-019-0456-9

https://www.nature.com/articles/s41566-019-0456-9