近日，中科院上海微系統(tǒng)所信息功能與材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室硅光課題組武愛(ài)民研究員團(tuán)隊(duì)，在硅襯底上提出了基于布洛赫表面波新原理的顯微光譜測(cè)量方法，研究成果發(fā)表在2021年10月出版的Wiley旗下期刊《Small》上(small 2103688 (2021)。微區(qū)光譜測(cè)量系統(tǒng)是一種重要的微米/納米級(jí)結(jié)構(gòu)的光譜分析手段，不僅保持了在微區(qū)成像的特點(diǎn)，還可以采集分析微區(qū)的光譜特性，在化學(xué)/生物分析，環(huán)境檢測(cè)及高分辨成像等領(lǐng)域具有重要的作用。

基于光柵分光和干涉機(jī)理的光譜儀和顯微鏡相結(jié)合的顯微光譜儀在靈敏度、量程和分辨率等方面具有較大的優(yōu)勢(shì)，但是總體而言，顯微光譜儀在體積、響應(yīng)速度上仍有很大的改進(jìn)空間，尤其是針對(duì)一些便攜和多功能集成的應(yīng)用場(chǎng)合。表面等離激元共振(Surface Plasmon Resonance，SPR）由于其對(duì)周?chē)治鑫锏恼凵渎熟`敏等優(yōu)勢(shì)，可用做定量或定性測(cè)量生物分子間相互作用，被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境科學(xué)及藥物檢測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域，然而由于其波長(zhǎng)靈敏性不高，難以在實(shí)時(shí)生物傳感的同時(shí)實(shí)現(xiàn)光譜信號(hào)的測(cè)量。

在課題組最新發(fā)表的工作中，我們采用了硅基表面激發(fā)的布洛赫表面波（Bloch surface wave, BSW）巧妙的實(shí)現(xiàn)了光譜的測(cè)量。布洛赫表面波可以在多層介質(zhì)膜與周?chē)h(huán)境的界面處激發(fā)獲得，具有低損耗，寬色散域，和CMOS兼容等優(yōu)勢(shì)。與表面等離激元相比，布洛赫表面波的共振角隨波長(zhǎng)的變化更加靈敏。本工作利用支持布洛赫表面波的多層介質(zhì)膜芯片代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光柵和干涉機(jī)理的單色儀系統(tǒng)，可在實(shí)現(xiàn)成像的同時(shí)進(jìn)行光譜測(cè)量，在實(shí)驗(yàn)上分別實(shí)現(xiàn)了單峰和多峰光譜的重構(gòu)，分辨率和量程分別為2 nm和130 nm。實(shí)驗(yàn)中利用單個(gè)納米顆粒激發(fā)布洛赫表面波，可調(diào)諧激光器測(cè)量不同波長(zhǎng)下激發(fā)的BSW的角譜分布作為先驗(yàn)矩陣，并利用智能算法，將未知光譜的角譜信號(hào)代入到先驗(yàn)數(shù)據(jù)中，即可重構(gòu)待測(cè)的光譜信號(hào)。本工作提出了一種基于超緊湊的硅基襯底實(shí)現(xiàn)的新型顯微光譜測(cè)量方法，納米顆粒替換為其它待測(cè)信號(hào)，可為生物分子，病毒等的光譜測(cè)量提供一種新的思路，可潛在應(yīng)用于生物成像，醫(yī)療傳感及高光譜成像等領(lǐng)域，為硅光集成在更廣闊的傳感應(yīng)用進(jìn)行了拓展。

圖1:  布洛赫表面波調(diào)制的光譜測(cè)量機(jī)理

本文第一作者為上海微系統(tǒng)所王茹雪副研究員，通訊作者為武愛(ài)民研究員。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金（61905269, 62005305），中科院青年促進(jìn)會(huì)（2021232），國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)等項(xiàng)目的支持。這是該課題組近期在硅光傳感新機(jī)理領(lǐng)域發(fā)表的系列工作之一。此前，基于布洛赫表面光場(chǎng)的非對(duì)稱(chēng)傳輸特性實(shí)現(xiàn)超靈敏位移測(cè)量的方法在Nanoscale上被作為封面文章報(bào)道。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202103688?af=R