表面等離激元塔姆態及其套用研究

《表面等離激元塔姆態及其套用研究》是依託南開大學，由向吟嘯擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：表面等離激元塔姆態及其套用研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：向吟嘯
• 依託單位：南開大學

中文摘要

利用表面等離激元突破衍射極限的特性來實現電磁場高強度聚焦是納米光子學領域的研究熱點之一。申請人從理論上提出了一種新型的電磁場增益模式——表面等離激元塔姆態，這種電磁模式結合了表面等離激元的空間尺寸壓縮放大和塔姆態共振增強放大的特性，可實現電磁場的雙重增益。表面等離激元塔姆態電磁場增益並不單一的依賴於極端尖銳（＜10 nm）的波導末端，可以降低加工成本；其雙重電磁場放大特性又能保持極大的強度增益。在此項目中，我們擬以數值模擬為指導，從實驗的角度研究表面等離激元塔姆態：通過在亞波長金屬間隙波導中引入表面等離激元塔姆結構，再由掃描近場光學顯微鏡探測其近場分布，研究其場增益特性。進一步的，我們擬研究這種電磁場雙重增益在單分子探測方面的套用，將表面等離激元塔姆結構與針尖增強拉曼散射技術相結合，為提高探測靈敏度和電磁場能量利用效率做出有益的嘗試。

結題摘要

表面等離激元由於其在空間尺度上可以突破衍射極限，以及由次引起的超強的電磁場增益而在近年來得到了極大的關注。其在非線性光學，光學感測器，全光集成迴路器件等方面有著重要的套用前景。在本項目中，我們研究了本工作組早期從理論提出的一種全新的電磁場聚焦增益模式——表面等離激元塔姆態。相比傳統的依賴減小波導橫截面積實現聚焦的方式，表面等離激元塔姆態結合了表面等離激元的空間尺寸壓縮和塔姆態共振增強兩种放大特性，可以實現極強的雙重電磁場增益。尤其在納米尺度下，這種增益不需要極端尖銳的波導末端（＜10 nm），因此也大大降低了加工的成本和難度。我們在理論分析和設計的基礎上，從實驗上實現了表面等離激元塔姆態的激發，並研究了其在非線性三次諧波激發方面的套用。 在理論方面，我們建立了基於表面等離激元納米結構的全套納米等離激元結構阻抗算法，大大減少了模型設計和最佳化的計算時間；設計並研究了基於電介質-金屬-電介質波導的表面等離激元塔姆態，充分利用了電介質-金屬-電介質波導低損耗，傳輸距離長的特點。其中奇偶兩種表面等離激元塔姆態模式還在全光開光等方面有套用前景；設計了新型的三維表面等離激元塔姆態結構，可將自由空間中傳播的平面波聚焦到百納米量級的空間尺寸，理論預計有三個數量級的電場和磁場強度的放大。 在實驗方面，我們通過飛秒三光子成像的方法來記錄表面等離激元的傳輸，並進一步的對表面等離激元塔姆態的場增益情況進行表征。在具體實驗過程中，我們設計了光學納米天線來將自由空間傳輸的1560 nm波長的飛秒光轉換成表面等離激元並耦合進表面等離激元塔姆態結構，通過記錄由於表面等離激元引起的三光子螢光的空間分布來對表面等離激元成像。在塔姆態結構的末端，由於有超強的電場增益，我們觀測到了強的三次諧波，而作為對照的等離激元波導沒有明顯的信號。實驗表面，我們的表面等離激元塔姆態結構可以將三次諧波信號放大三個數量級。