Surface plasmon resonance (SPR) phenomenon on the metal-dielectric interface is actively used as a biosensor or high-sensitivity plasmonic ruler because it is highly sensitive to local refractive index change on the interface or dimensional change of plasmonic structure. Recently, the sensing resolution of an SPR-based plasmonic ruler has been improved to the level of a sub-picometer by using frequency-comb-referenced plasmonic phase spectroscopy. However, Mach-Zehnder interferometer-based plasmonic phase spectroscopy system is fragile to short-term disturbances such as vibration and shock, which mainly come from the uncommon path configuration of the interferometer. Therefore, this study proposes an optical fiber-based common path heterodyne plasmonic phase spectroscopy system using polarization-dependent plasmonic structure to increase the stability of plasmonic phase spectroscopy. The optical fiber-based common path heterodyne plasmonic phase spectroscopy system uses a method of detecting the relative phase difference between two perpendicular linearly polarized lights transmitted through the polarization-dependent plasmonic nanostructures. As a result of the use of two perpendicular linearly polarized lights as reference and measurement lights, respectively, this system has a common path configuration in the free space region and is robust to short-term vibration noises. To verify the measurability of fast plasmonic dynamics, 50 Hz to 320 kHz pitch change of the flexible polarization-dependent plasmonic structure transferred to PDMS substrate is measured. It is anticipated that this system will be employed for high-speed single molecular level flow measurement and high-sensitivity plasmonic ruler application.
금속 표면에서 발생하는 표면 플라즈몬 공진 현상은 빛을 파장 이하의 나노구조체에 구속함으로써 외부 굴절률 변화에 매우 민감하게 반응하여, 무표지 바이오 센싱, 화학 성분 및 원자 검출 등에 활발히 응용되고 있다. 이러한 센싱 성능은 최근 안정화된 펨토초 레이저로부터 생성된 광 빗을 이용하여 위상 변화를 측정함으로써 피코미터 수준까지 향상된 바 있다. 하지만 기존의 마하 젠더 간섭계 기반의 플라즈모닉 위상 분광 시스템은 측정 광경로와 기준 광경로 사이의 주된 비공통경로 잡음인 진동, 충격 등의 빠른 시간 평균의 외란에 민감하여 고속 센서 응용기술에 한계를 가진다. 이에 본 연구에서는 플라즈모닉 위상분광의 안정도를 높히고자 비주기 나노 구조체를 이용한 광섬유 기반의 공통경로 헤테로다인 플라즈모닉 위상 분광 시스템을 제안하고자 한다. 본 연구에서 제안하는 광섬유 기반 공통경로 헤테로다인 플라즈모닉 위상 분광 시스템은 편광 의존 나노 구조체에서 발생하는 편광 간의 상대 위상차를 검출하는 방법을 사용하여 자유공간에서 공통경로 특성을 가지며 광섬유 패키징으로 인해 진동 및 어쿠스틱 잡음에 둔감한 특성을 가진다. 제시된 시스템의 수백 Hz 및 kHz급 동적 플라즈모닉 현상의 측정 가능성을 검증하기 위해서 편광 의존 나노 구조체인 금 나노 그레이팅과 금 나노 홀 배열을 PDMS 기판 위에 전사한 샘플을 이용해 수백 Hz 및 kHz급 나노 구조체의 주기 변화를 측정하고자 한다. 본 시스템을 통한 고속 플라즈모닉 현상 측정은 이후 고속 단분자급 유동 측정, 고 분해능 플라즈모닉 자 등에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
