量子变换光学的研究及其在表面等离激元采光器件设计上的应用

In the past decade, nanophotonics research has experienced the boost due to the ability of surface plasmons (SPs) to collect and concentrate light efficiently into subwavelength volumes. The peculiar nature of SPs thus potentially enables a greater level of integration in photonic devices, and has opened up a wide range of applications. The future development and optimization of nanophotonic devices with different functionalitiesn requires a complete and unified picture of the physical mechanisms behind their performance. However, so far, there is no general strategy that can be applied to design a series of plasmonic nanodevices with sharp geometrical features, taking into account the dielectric screening effects of electrons. In this project, we shall address this challenge by using the theory of transformation optics to design different plasmonic nanostructures that can gather light from the far-field and concentrate its energy into a volume only a few nanometers across. Especially, we shall investigate the nonlocal effects that play a key role in the performance of nanodevices with diminutive geometrical features. Following the theoretical exploitation and experimental demonstration of the concept, we shall move forward to applying the structures we design in single-molecule spectroscopy and low-power ultrafast nonlinear devices. This innovative way of controlling light with a plethora of applications will extend and improve the-state-of-the-art technology in nanoplasmonics, allowing for efficient low-power-consumption harvesting of light on the nanoscale for biophotonic and optoelectronic applications.

表面等离激元使电磁场被束缚在亚波长的尺度，为克服光学器件的尺寸瓶颈以及未来光子器件的高度集成化开辟了新的有效途径。而精确的设计和优化满足特定应用场合的表面等离纳米结构则需要我们对其物理机理有清晰的认识，这就亟需一个强有力的理论工具作为指导。近年来，变换光学原理被应用于表面等离激元结构的研究以及纳米光采集器件的设计，用以实现光能在亚波长尺度的高效传输或聚集。然而，如何在该变换光学设计方法中引入对量子效应的考虑尚属崭新的课题。本项目将致力于解决以上挑战，深入探讨量子效应对不同金属纳米采光结构性能的影响，完善金属纳米结构的变换光学模型。考虑量子效应的变换光学模型将能够更精确的计算并预测具有亚纳米尺度几何细节的纳米采光结构的性能，从而对纳米采光器件的设计和性能优化起到重要的指导作用。以理论工作为基础，我们将设计各种新型的纳米采光结构，使其具有优良的场增强效应，并将其应用于单分子检测以及超快光调制。

表面等离激元可突破衍射极限，使得电磁场被束缚在亚波长的尺度，有望为实现光子器件的高度集成化开辟新的道路。变换光学原理可为表面等离激元结构的研究以及器件的设计提供强有力的理论指导。本项目在变换光学设计方法中引入对量子效应的考虑，完善表面等离激元结构的变换光学模型，并以理论为基础，设计各种具有优良局域场增强效应的表面等离激元结构，将其应用于传感、调制及非线性器件。本项目执行期间，基本按照申请书中所列研究内容开展,并根据国内外的研究现状以及项目中的新发现进行了拓展性研究，包括：1）利用变换光学的原理研究了表面等离激元结构之间的耦合特性，讨论了电谐振-磁谐振耦合，电谐振-电谐振耦合，以及磁谐振-磁谐振耦合的情况，讨论了在耦合结构之间间距很小时，量子非局域效应对该耦合系统性能的影响；2）基于变换光学的理论研究了相互耦合的表面等离激元结构对自发辐射的影响，并通过实验验证了对极化不敏感的能量会聚现象及其在自发辐射增强上的应用；3）研究了量子非局域特性对纳米双曲线超材料中切伦科夫辐射的影响，进一步完善了切伦科夫辐射的理论研究；4）基于不同的原理设计了一系列表面等离激元传感、调制及非线性器件，在传感灵敏度、调制深度、非线性转化率等器件性能参数方面取得突破。受本项目资助，在Advanced Science、Laser & Photonics Reviews、Physical Review Applied等SCI国际期刊上发表论文22篇，专利授权1项。