F顯微角分辨光譜光譜儀

角分辨光譜，顧名思義，是一種能夠同時探測信號光光譜和出射角度的技術(shù)，它是伴隨著以微腔光子學(xué)，人工超材料和超表面等新型微納米光子材料的發(fā)展和應(yīng)用而誕生的全新的光譜學(xué)探測技術(shù)。我們知道，當(dāng)光在材料中傳播時，其色散關(guān)系由于受到光與物質(zhì)的相互作用而發(fā)生改變，傳統(tǒng)的光學(xué)探測手段只能對光的能量（頻率）進(jìn)行探測，而光的動量（k）信息無法獲得。通過研究發(fā)現(xiàn)，光子的動量與光子從材料表面的出射角度（θ）密切相關(guān)，因此，通過對從材料表面以不同角度發(fā)出的光進(jìn)行角度分辨的探測，人們可以描繪光學(xué)微腔，超材料等材料和器件中光子能量(E)-動量（k）關(guān)系，即色散關(guān)系，從而深入研究其光學(xué)性質(zhì)。

角分辨顯微光譜的探測原理利用了光學(xué)傅里葉變換技術(shù)，通過傅里葉面成像的方法，在探測器上一次性的將不同角度的光進(jìn)行成像。其光學(xué)原理如下圖所示。從樣品表面以不同角度發(fā)出的光通過顯微物鏡匯聚到置于其后的傅里葉平面，可以設(shè)想以不同角度發(fā)出的光會被收集到傅里葉平面上的不同位置，這樣就實現(xiàn)了從角度向空間位置的轉(zhuǎn)換。在后面通過一套消色差成像系統(tǒng)，將傅里葉面成像到光譜儀的入口狹縫處，經(jīng)過光譜儀的能量分辨，就會在CCD上展現(xiàn)出空間位置（即角度）與波長（即頻率）的色散圖。

圖1. 角分辨成像原理示意圖

應(yīng)用案例：

1. 光子晶體耦合腔模式分析

基于角分辨熒光光譜技術(shù)，對光子晶體模式的對稱性進(jìn)行表征，通過實驗測量嵌入光子晶體中的量子點(diǎn)的遠(yuǎn)場角熒光分布。實驗數(shù)據(jù)很好地吻合了楊氏干涉和數(shù)值模擬的預(yù)測。此外，具有向量性質(zhì)的光子本征模表現(xiàn)出不同偏振的復(fù)雜的奇偶性，這在量子力學(xué)框架內(nèi)還沒有對應(yīng)的物理特征。（參考文獻(xiàn)：F.Intonti et al., PRL106,143901(2011)）

圖2. 光子微腔分子中兩種耦合模式的發(fā)射模式示意圖。菱形表示兩種模式的電場分布，并用色標(biāo)強(qiáng)調(diào)正（紅色）和負(fù)（藍(lán)色）幅度。紅色（藍(lán)色）虛線表示遠(yuǎn)場發(fā)射圖案中的相長（相消）光路。

圖3. 單D2腔；(a)正交偏振通道中的PL光譜；(b)SEM圖像；(c)–(e)電場FDTD NF圖；(f)–(h)實驗PL遠(yuǎn)場強(qiáng)度k空間分布；(i)–(k)FDTD遠(yuǎn)場強(qiáng)度k空間分布。

2. 超表面與二維材料耦合

通過角分辨反射顯微光譜研究了與單層MoS2集成的銀納米盤陣列中的強(qiáng)激子-等離子體相互作用。觀察到77 K時激子-等離激元耦合強(qiáng)度高達(dá)58 meV，在室溫下也能存在。強(qiáng)耦合涉及三種類型的共振，包括：MoS2激子、單個銀納米盤的局域表面等離子體共振（LSPR）和納米盤陣列的等離子體晶格共振。實驗表明通過調(diào)整等離子體晶格的幾何形狀可以有效地控制激子-等離子體激元耦合強(qiáng)度、極化子組成和色散，這使得該系統(tǒng)有望實現(xiàn)新型二維等離子體極化器件。（參考文獻(xiàn)：W.J.Liu et al., Nano Lett.16,2,1262(2016)）

圖4. 單層 MoS2 上典型銀納米盤晶格圖案的 SEM 圖像

圖5. 在盤直徑范圍為100nm至170nm和周期為460 nm的Si/SiO2基板上圖案化的五種等離子體晶格的角度分辨差分反射光譜。白色虛線代表局域表面等離子體共振模式的波長，紅點(diǎn)對應(yīng)于從恒定角度的角度分辨反射率的線切割獲得的傾角位置。藍(lán)色實線是從耦合振蕩器模型獲得的擬合結(jié)果

3. 角分辨光譜在布拉格平板微腔VCSEL器件中的應(yīng)用

通過角分辨白光反射光譜研究了布拉格平板光學(xué)微腔的DBR光學(xué)模式（a-c），通過角分辨熒光動力學(xué)光譜研究高激發(fā)狀態(tài)下電子‐空穴費(fèi)米面的下降過程，以及光學(xué)系統(tǒng)共振模式的色散演化（d）。基于工藝成熟的III‐V族半導(dǎo)體平板微腔，通過調(diào)節(jié)泵浦光的功率密度，結(jié)合量子阱中光生載流子造成的強(qiáng)非線性響應(yīng)，可以調(diào)控出射激光的頻率、動量、發(fā)光時刻及脈寬。（參考文獻(xiàn)：W.Xie et al., Optica,3,12(2016)）

圖6. 標(biāo)準(zhǔn)非手性染料在低黏度與高黏度水溶液中的寬帶穩(wěn)態(tài)及時間分辨全斯托克斯向量光譜

4. 角分辨光譜在光柵結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

通過角分辨白光反射光譜研究了硅基光柵襯底上一維氧化鋅微米棒（a）的激子極化激元模式色散和動量空間的凝聚行為（b），以及不同能態(tài)的壽命（c）。由于光柵襯底的調(diào)制作用，原本連續(xù)的光學(xué)模式出現(xiàn)分裂，形成類似布里淵區(qū)的能帶結(jié)構(gòu)。在增大粒子密度后，極化激元的凝聚并不出現(xiàn)在動量空間的零點(diǎn)，而是發(fā)生在布里淵區(qū)邊界態(tài)上。這是因為微區(qū)自組裝樣品引入了結(jié)構(gòu)勢場，通過調(diào)控粒子的空間分布和能態(tài)壽命，實現(xiàn)了非零動量能態(tài)的凝聚。（參考文獻(xiàn)：L.Zhang et al., PNAS,112,13(2015)）

圖7. 硅基光柵襯底上一維氧化鋅微米棒研究