納米光學質譜儀—“光秤”(三)

圖8 以碳納米管為載體，基于雙光Pump-probe技術和傳統的電學測量構成的質譜儀的靈敏度對比圖。(a)和(b)分別為在Pump-probe技術下，基于碳納米管和碳納米管-等離子體耦合系統光學質譜儀的光譜圖。(c)為在傳統的電學測量技術下，基于碳納米管質譜儀的光譜圖。

圖9 (a)一個氣體噴嘴通過擋板把DNA分子噴到圓盤式納米機械振子的表面。此振子是一個自由振動的拉緊式圓形鼓狀平行班電容器的上板面。(b)為(a)圖對應的測量電路的圖。其中，納米機械振子通過電路與超導微波腔耦合，L為等效電感，C為等效電容。兩個頻率分別為ωpu和ωpr的微波同時作用于此系統。機械振子的振動通過一個低噪聲的冷凍放大傳輸裝置探測。

(3)基于腔機電系統的光學質譜儀。

圖9為基于腔機電系統的納米光學質譜儀。其中機械振子位于電容為C的平行板電容器的上板。通過一個氣體噴嘴把要測量的外界分子(如DNA分子等)噴灑在于此上板。機電微波腔具有振動頻率ωc。納米機械振子具有振動頻率ωn。圖(b)為圖(a)的等效電路。通過這樣一個微波系統，分別測量出放入外界粒子前后納米機械振子的振動頻率，然后再根據公式(2)就可以得到放入的外界粒子的質量。與以上幾種光學質譜儀不同的是，此腔機電光學質譜儀是作用在微波段，在實驗上更容易探測到。

(4)納米非線性光學質譜儀。

以上介紹的幾種納米光學質譜儀都是在線性光學領域進行的質量探測。其實除了線性光學，在非線性光學范圍也能夠進行粒子質量的測量，我們稱之為納米振子非線性光學質譜儀，如圖10所示。之前很多研究學者都證明過，通過非線性光學測量，一些感應器在性能和噪聲處理方面都比線性光學有很大的優越性。

圖10為非線性光學質譜儀的結構圖，由一個環形腔光機械系統構成。環形腔的振動類比于經典腔光系統中機械振子的振動。在一束強泵浦光和一束弱信號光的作用下，光腔光場與振子振動耦合時候，分別各自劈裂成兩個新的能級，這就與前面介紹過的納米機械振子和量子點的耦合模型類似。所不同的是，此時探測的并不是透射光的線性吸收譜，而是透射光的非線性吸收譜。經過計算，上海交通大學物理系朱卡的研究團隊證明出在非線性光學領域，同樣也可以得到腔光機械振子的振動頻率。前后兩次測量到振子的振動頻率后，根據公式(2)就可以實現納米光學質譜過程。圖11為利用此系統進行頻率測量時透射光的非線性光學吸收譜。圖中選取的被測粒子為染色體分子，當把染色體分子放到圖10(a)的環形盤中時，振子的固有振動頻率發生變化。頻率變化前后的非線性光學吸收譜分別對應圖11的紅色峰和黑色峰。我們觀察到兩個峰之間的頻率差為Δω=3 kHz，把此頻率差代入到(2)式便可以得到外界染色體分子的總質量。其中，右上角的插入圖為放入的染色體分子數目與振子振動頻率的變化關系。放入的粒子越多，對應粒子的質量越大，振子的固有振動頻率變化的就越大。被測粒子的質量與振子振動頻率為線性關系。

圖10 環形腔光系統和經典腔光系統的對比圖。(a)一束強泵浦光和一束弱信號光照射在環形腔光系統上，用于測量外界粒子的質量。(b)經典的腔光機械系統，它包含兩個鏡面，其中一個鏡面固定，另外一個鏡面可以移動并且通過彈簧與機械振子相連。

圖11 基于環形腔光機械系統的非線性納米光學質譜過程中，透射光的非線性譜。圖中插入圖為放入的外界染色體分子數目與振子頻率的變化關系。

鏈接:

朱卡的(1960－)，1991年于上海交通大學獲理學博士學位。1993年至1995年在日本東京大學物理系做博士后，2000～2001年作為高級訪問學者訪問哈佛大學物理系。現任上海交通大學凝聚態物理研究所副所長，教授，博士生導師。從事凝聚態物理學的教學和研究工作。主要研究方向為低維半導體物理學，量子非線性光學，介觀量子光學，固體量子信息和量子計算等。朱卡的教授已在SCI收錄的學術期刊上發表論文38篇，其中作為第一作者的34篇。著作、論文引用總數235次，他引180次(至2003年3月)。主要學術成績:(1)在國際上第一次提出內稟自局域弗蘭克爾激子的概念;(2)在國際上首次給出量子盒中電子與受限LO聲子相互作用哈密頓量，并由此證明對較小量子盒必須考慮聲子的受限效應;(3)系統、全面地研究了量子點和量子線中電子－聲子相互作用對電子態和雜質態的影響;(4)創新地提出了有機分子晶體薄膜中相互作用電荷轉移激子的非線性光學理論;(5)在國際上第一次理論證明在強耦合激子－聲子系統中同樣存在電磁誘導透明效應和超慢光速效應，但其機制與通常的三能級原子系統不同。這些理論在其發明的納米光學質譜議上得到了充分應用。1998年獲全國優秀教師榮譽稱號。1999年獲上海市教委跨世紀人才“曙光計劃”基金資助。2001年獲國家教育部《跨世紀優秀人才培養計劃》基金的資助。