光纤纳米尖端发射激光脉冲，助力纳米级成像和传感应用
2020-09-18 17:34:25   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

据麦姆斯咨询报道，美国橡树岭国家实验室（ORNL）和内布拉斯加州大学林肯分校展示了如何通过穿过光纤尖端的激光脉冲刺激光纤尖端发射出电子。

早期研究表明，光纤的纳米尖端在受到光刺激时可以用作电子源。但直至今日，必须依靠来自外部的光源刺激，并且需与纳米尖端的顶点完全对齐。

光纤纳米尖端电子产生示意图

该项目的研究成果发表在期刊New Journal of Physics。论文指出电子发射可以通过沿光纤本身传播的激光脉冲来实现。这种方式能够让电子的发射角度或位置突破其他方式无法完成的壁垒，从而实现更有效的纳米级成像和传感应用。

内布拉斯加州林肯大学Herman Batelaan谈到：“以前，激光必须跟踪光纤尖端，这从技术角度来讲是非常困难的。这种难度限制了拍摄速度和拍摄位置。”

这项突破的关键在于找到降低所需激光功率的电子发射机制，特别是精心设计的光纤纳米尖端。如果光纤的终端是尺寸正确的锥形镀金纳米尖端，据研究小组的计算表明，穿过光纤的激光脉冲场强将在尖端显示出明显的热点，足以激发出电子。

等离子体：打开问题的“钥匙”

为了验证这一理论，内布拉斯加州林肯分校的团队让飞秒激光通过光纤发出超短激光脉冲，该光纤的纳米尖端半径为50nm，涂有一层金薄膜，由ORNL制造。

使用500nm ~ 740nm波长的激光测试证实，镀金纳米尖端确实能受控激发出电子。结果还表明，特定波长的激光能增强纳米尖端顶点的电场，这种行为被认为与表面等离子体激元有关。

内布拉斯加州林肯分校的Sam Keramati说：“将飞秒激光调谐到正确的波长（又称为表面等离子体激元共振波长），会发现超过阈值的发射。表面等离子体激元共振表明电子在金属表面发生集体振荡。当电子从光子吸收足够的能量，获得发射的初始动能时，就会发生超过阈值的发射。”

理论已经得到证明，接着该项目还发现，只要提高纳米尖端的电压来进行补偿，就可以用功率较小的连续波激光器获得相似的结果。研究小组认为，这代表了激发纳米尖端电子发射的最小激光强度。

Batelaan指出：“现在，只需要花10美元购买一个二极管激光器，您不用再花很多钱去购买那些功能强大却很昂贵的激光器了。”

压缩光：显微镜的实用光源

ORNL展示的第二项突破技术表明，实验室使用压缩光测量原子力显微镜的微悬臂梁位移时，这被视为非线性干涉量度术的首个实际应用。

压缩光是一种在非线性光学过程中产生的特定状态，其电场的固有噪声低于在真空中的固有噪声，因此是量子计量学的一项重要技术。

据ORNL称，该项目使用压缩光代替激光测量原子力显微镜的微悬臂梁位移，其灵敏度相比传统光子学技术提高了50%。

ORNL材料科学与技术学院Ben Lawrie介绍：“我们展示了如何使用压缩光——一种量子信息科学的强大工具——作为显微镜的实用光源。我们测量了原子力显微镜微悬臂梁的位移，其灵敏度优于标准量子极限。”

延伸阅读：

《光纤激光器技术及市场趋势-2019版》