等离激元纳米孔将等离激元天线与固体纳米孔结合，可限制待测物路径，并将入射光能聚集至路径中产生热点，从而增强场与待测物质的相互作用，在纳米尺度范围内实现高灵敏度检测，近年来已被广泛应用于单分子检测研究。本文概述了几种典型等离激元纳米孔结构及其场增强效果；分析讨论了4种目前常用的基于等离激元纳米孔的高灵敏度检测技术及其特点，包括荧光检测、表面拉曼增强光谱、表面等离激元共振位移传感以及光电结合方法；综述了等离激元纳米孔在脱氧核糖核酸（DNA）、蛋白质、肽等单分子光学检测方面的应用进展及典型成果；讨论和展望了等离激元纳米孔的未来研究趋势以及面临的机遇和挑战。

表面等离激元共振显微成像（SPRM）技术具有高灵敏度、快速实时等优点，已经被广泛应用于纳米检测、生物医学和环境监测等领域中。由于倏逝场的界面传输特性，故SPRM具有特殊的点扩散函数，可从其中提取出丰富的待测物信息。然而，离焦成像会影响成像特征，导致无法准确获取待测物信息。因此，定量研究离焦对SPRM的影响至关重要。通过仿真计算与实验，定量研究了离焦对SPRM的影响，并实现了单个聚苯乙烯颗粒的SPRM成像。所提方法可用于SPRM离焦状态的快速判断，并反推出准确的离焦偏移量，实现快速对焦，改善SPRM技术在长时程观测中的性能。

基于棱镜耦合的波长调制表面等离激元共振(SPR)传感器只能在长波段获得较高检测灵敏度,无法兼顾检测范围与检测灵敏度。研究了一种基于物镜耦合激发表面等离激元的波长-角度共同调制的SPR传感装置,使用物镜耦合使角度易于调节,这提高了SPR传感器在短波处的检测灵敏度,从而在较大检测范围内实现了高灵敏度折射率测量。通过理论仿真与实验,使用波长-角度共同调制的SPR传感方法对不同浓度的葡萄糖溶液的折射率进行测量,动态检测范围为4.4×10 ^-2 RIU,检测灵敏度达到5066.97 nm/RIU。相较于波长调制SPR传感方法,使用波长-角度共同调制的SPR传感方法在检测范围不变的情况下,检测灵敏度提高了2.5倍。该检测方法实现了对折射率高灵敏度、高动态检测范围的快速检测,可广泛应用在生物医学及食品安全等领域。

为了同时满足较大的视场和较高分辨率的需求, 开发了一套全息无透镜显微成像系统和配套算法, 实现对微米级样品的无透镜显微成像。搭建了一套由LED光源、针孔、被测样品与CMOS图像传感器组成的全息无透镜显微成像系统, 并对针孔直径、成像面尺寸、光源到样品的距离, 以及样品面到CMOS图像传感器的距离进行了优化。其次, 开发了从系统采集的全息图中恢复样品图像的角谱法算法。最后, 使用该成像系统和配套算法, 分别对具有微米级结构分辨率测试靶, 和肺癌细胞悬浮液进行了显微成像。该全息无透镜显微成像系统的分辨率为4.4 μm, 成像视场尺寸为5.7 mm×4.3 mm, 实现了微米级结构和肺癌细胞较清晰的显微成像。全息无透镜显微成像系统结构简单、无像差干扰, 可以实现大视场下较高分辨率的显微成像。

提出一种对化学气相沉积法生长石墨烯缺陷的快速检测方法。利用化学气相沉积法制备石墨烯并将其转移到目标基底上,制备出应用于表面等离激元(SPP)成像的石墨烯-金基底。SPP对界面处折射率变化具有高灵敏度,可以实现石墨烯边缘检测,并且石墨烯表面缺陷会引起SPP作用场的变化,利用SPP泄漏辐射效应将界面处SPP作用场变化传输至远场,使用CCD进行快速成像,可实现对转移后石墨烯的快速成像与检测。该方法检测到石墨烯边缘与表面的形貌信息,并且检测到颗粒污染物,避免了传统的检测方法灵敏度低、速度慢、有损检测等弊端,实现了对石墨烯缺陷的快速、无损检测。

介绍了一种利用倏逝波界面散射对单个纳米颗粒进行无标记成像的方法。分别使用全内反射(TIR)倏逝波与表面等离激元(SPPs)两种倏逝波与单个纳米颗粒相互作用,激发纳米颗粒极化并发生散射,所产生的界面散射与入射倏逝波发生干涉,形成了纳米颗粒极化场与抛物线形干涉条纹的特征成像。分别对直径为500,200,100 nm的聚苯乙烯颗粒进行了单个纳米颗粒无标记成像。比较了两种倏逝波界面散射对单个纳米颗粒成像结果,发现表面等离激元界面散射成像中的单个纳米颗粒极化强度约是全内反射极化强度的10倍,并且接近于暗场成像。因此,表面等离激元界面散射对单个纳米颗粒无标记成像具有更高灵敏度。所提单个纳米颗粒无标记成像方法可以拓展到病毒检测、生物单分子成像等领域。

设计了基于介质高阻硅的超材料用于对太赫兹波的透射振幅和相位进行控制。这里组成超材料的基本结构单元为亚波长柱状硅, 相比于基于金属的超材料, 其损耗小, 效率也更高。太赫兹入射到不同尺寸和旋向的柱状硅时, 所透射的太赫兹波的振幅和相位也不同。通过设计不同空间位置处的柱状硅尺寸和旋向, 就可以实现任意的振幅和相位分布, 从而对透射波波前进行完全的控制。实验中, 利用这种硅质微结构设计了三种不同的奇异光栅, 其衍射级次和数目可任意控制。这种基于介质超材料的方法, 设计简单, 加工方便, 在制作太赫兹波段低损耗的功能器件方面有着广泛的应用前景。

采用超快半导体光电导开关的宽带太赫兹(THz)时域频谱(TDS)系统,研究了同族的KTiOPO4(KTP)晶体与RbTiOPO4(RTP)晶体在0.5-2.0 THz波段的光学声子振荡特性。虽然这两种晶体具有相似的晶格结构特征,但它们的THz时域频谱却显示出很大的差别:一是RTP晶体对THz波的吸收比KTP晶体强得多;二是当晶体的z轴平行于THz波电场振动方向时,RTP晶体的光学声子共振吸收峰较KTP晶体的数量更多。利用多洛仑兹振子伪谐振介电模型对两种晶体的复介电常数进行拟合,得到了对应于晶格弱振动的各个光学声子的特征参数。结果表明,这些吸收峰都是晶体中沿z轴排列的K+(或Rb+)相对于PO4六面体和TiO6八面体晶格振动造成的光学外振动模。但是由于Rb的原子量大,对周边原子或基团的键力作用更强更复杂,因此形成的晶格振动模式也更加多样化。

采用超快半导体光电导开关的宽带太赫兹时域频谱系统，研究了 KTiOPO4 晶体在0.5～2.0THz波段的光学声子振荡特性；在晶体z轴平行于THz波电场振动方向时发现了明显的吸收峰.利用晶体中晶格振动模式（光学声子）对光谱的选择性吸收特性和多洛仑兹振子伪谐振介电模型，很好地拟合了KTP晶体的复介电常量曲线，得到了对应晶格弱振动的光学声子的频谱参量值.研究结果表明，位于ω1 /2π=1.76 THz的吸收峰是KTP晶体中沿z轴排列的K+相对于PO4和TiO6晶格振动造成的光学外振动模.同时也说明THz波对于晶格弱振动非常敏感，对于微弱的光学声子吸收峰的频谱分析更加精准.