单模纳米光子-等离子体平台的表面增强拉曼光谱

表面增强拉曼光谱(SERS)是一种很有前途的技术，通过在分析物附近引入等离子体纳米结构来增强固有的弱拉曼信号。近年来，光子集成电路(PICs)作为一种很有前途的替代标准共聚焦显微镜来探测自发拉曼光谱。^[1，2]这种电路的基本组成部分是单模波导，其中泵浦光和斯托克斯光在高折射率的核心材料中被引导，该核心材料被低折射率的包层材料包围。在我们的研究中，我们首次证明了由单模氮化硅(SiN)波导激发和收集的集成蝶形纳米天线产生的SERS信号。^［2]

使用三叶菊303i光谱仪(SR-303i-A-SIL)和iDus 416 CCD探测器(DU416A-LDC-DD)组成的系统，我们通过实验确定了由单个纳米天线产生的增强Stokes功率，该天线耦合到基本te模式。理论预测的绝对拉曼功率与耦合到基模中的实验观测功率完全吻合。正在研究的设备如图1(a)所示，测量设置的描述可以在的补充信息中找到^［2]．

采集不同天线数N的波导的SERS光谱，如图1(b)所示。对于SiN波导中1w的引导功率，单个集成的纳米等离子体天线将产生约2.6 fW的引导Stokes功率。^［2]考虑到所有的传输损耗，到达探测器表面的实际功率预计在2.6x10之间^－2和2.6 x10^－３弗兰克-威廉姆斯。由于iDus 416固有的低读数和暗噪声，我们受到SiN拉曼背景信号(主要产生于SiN核)的散粒噪声的限制。因此，我们能够检测到最小的SERS峰值(功率级10^－2- 10^－３fW)使用1200 l/mm光栅。从图1(b)的N=40曲线可以看出，在SiN背景较低的情况下(由于天线引起的衰减)，整体噪声确实非常低。由于较低Stokes位移的SiN Raman背景是巨大的，为了充分利用探测器的动态范围，我们只希望对相关SERS峰所在的Stokes位移较大的区域进行成像。这是通过三叶草303i的旋转光栅转塔实现的，它可以方便地旋转光栅，以便在探测器上成像相关的波段。此外，该系统允许使用专用光纤支架和可调节旋钮对光纤输入进行波长校准。

图1:(a)器件原理图:纳米等离子体阵列蝶形天线的单模氮化硅(SiN)波导。(b)涂有不同数量N个天线(10,20,30,40)的波导的SERS光谱，N=0为不涂有天线的参考波导。

总之，由于低读出噪声和低暗电流的组合，iDus 416相机非常适合于检测极弱的拉曼信号。暗电流可以通过只读取相关像素而不是使用完全垂直分类选项进一步降低。此外，整个系统(Shamrock 303i和iDus 416)非常健壮，使用Andor Solis软件很容易控制。

致谢

感谢根特大学纳米与生物光子学中心光子学研究小组Frédéric Peyskens博士。

参考文献

等。氮化硅纳米光子波导的倏逝激发和自发喇曼光谱的收集。选择。Lett. 2014, 39,4025 -4028。

等。基于纳米光子-等离子体平台的表面增强拉曼光谱研究，光子学报，2016,34(1)，362 - 368。