物理所表面等離激元光學(xué)新概念和新方法研究獲得系列進(jìn)展

1、.物理所外表等離激元光學(xué)新概念和新方法研究獲得系列進(jìn)展外表等離激元surface plasmons是一種局域在金屬和電介質(zhì)的交界面處，同時沿著界面向前傳播的電磁場形式。其獨特的性質(zhì)在集成光子學(xué)、生物傳感、精細(xì)測量等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景，并隨著微納加工技術(shù)的進(jìn)步成為了非常有生命力的研究領(lǐng)域。最近，中科院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實驗室籌光物理實驗室李志遠(yuǎn)研究組在博士生陳宇輝、黃璐以及青年職工李家方和甘霖等的共同努力下，在基于金屬薄膜體系外表等離激元的新概念和新方法研究中獲得了系列進(jìn)展，包括利用增益介質(zhì)實現(xiàn)了對外表等離激元的增益放大，以及提出了基于外表波全息的波前整形方法。1 外表等離激元的自

2、發(fā)輻射放大外表等離激元作為一種存在于金屬界面處的局域電磁場形式，金屬自身存在的歐姆損耗從根本上限制了這類等離激元器件的性能極限。另一方面，由于外表等離激元是一種電子和電磁場互相耦合的電磁振動形式，因此金屬電子本征的歐姆損耗有可能被光學(xué)增益介質(zhì)補償?？梢云诖?，一旦光學(xué)增益介質(zhì)和外表等離激元的結(jié)合被證明是可靠并且是實用的，那么外表等離激元光學(xué)將抑制其根本局限性，實現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用，更加深化地影響人們的生活。通過在實驗上采用經(jīng)典的棱鏡耦合構(gòu)造如圖1a，研究人員將外表等離激元的輻射信號從系統(tǒng)中嚴(yán)格別離出來，直接觀察到了在泵浦光作用下外表等離激元的放大效應(yīng)如圖1b，并指出這種現(xiàn)象是外表等離激元的自發(fā)輻射放

3、大，而不是其他報導(dǎo)中的受激輻射。進(jìn)一步的實驗還發(fā)現(xiàn)，外表等離激元通過棱鏡耦合而輸出的光的角分布會隨著泵浦功率的增大而變寬如圖1c-d，而不是通常認(rèn)為的窄化效應(yīng)。這種角度變寬的現(xiàn)象是由體系內(nèi)的凈增益增大而導(dǎo)致的，可以看作是外表等離激元放大效應(yīng)在傅立葉空間中的反映。這些實驗和理論結(jié)果為認(rèn)識外表等離激元在光學(xué)增益介質(zhì)作用下的放大效應(yīng)提供了直接的證據(jù)和新的分析角度。相關(guān)工作發(fā)表在Applied Physics Letters 98, 261912 2019以及Small 8, 13551359 2019上。2 基于外表波全息術(shù)的波前整形光波透過一個小孔的傳輸行為是一個古老的科學(xué)問題，卻有著非常豐富的科

4、學(xué)內(nèi)涵。研究說明，當(dāng)在金屬薄膜上亞波長小孔的周圍制作上周期性的凹槽后，透過小孔的光波將會沿特定的角度準(zhǔn)直發(fā)射，而不是通常認(rèn)為的那樣衍射到各個方向上。利用外表等離子體構(gòu)造實現(xiàn)亞波長光源輻射的準(zhǔn)直和聚焦功能，引起了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，并且已經(jīng)集成到發(fā)光二極管以及量子級聯(lián)激光器的輸出端面上，在保證耦合效率的情況下有效地縮小了輸出發(fā)散角。對于復(fù)雜性大大超過準(zhǔn)直和聚焦的任意波前整形功能，傳統(tǒng)的方法需要借助非常冗長而復(fù)雜的電磁場逆問題求解。物理所研究人員另辟蹊徑，借助傳統(tǒng)光學(xué)全息的概念，將其延拓到外表等離子體光學(xué)領(lǐng)域，提出了外表波全息術(shù)的概念和一系列理論方法，實現(xiàn)了外表等離激元構(gòu)造對光束的整形與成像等復(fù)雜功

5、能的正向設(shè)計，防止了傳統(tǒng)逆向設(shè)計所需要的復(fù)雜計算。該方法可以非常容易地直接計算出對于特定傳輸功能的金屬板外表刻蝕凹槽的幾何形貌，通過這些凹槽構(gòu)造調(diào)節(jié)透過小孔的外表等離子體波的散射和傳播行為，使之在給定的空間位置上形成幾乎任意給定形狀的光場分布。根據(jù)這一方法，研究人員在1064nm波段成功演示了如何將通過一個半徑為180nm的小孔的光波會聚成英文字母“L形和字母“O形如圖2。此外，他們的實驗還說明，這樣的凹槽構(gòu)造具有可疊加性，兩套構(gòu)造可以同時存在于一個外表并且同時工作。這些結(jié)果充分展示了外表波全息方法的波前整形才能，具有宏大的應(yīng)用前景。相關(guān)工作發(fā)表在Optics Express 19, 23908