基于增益介质的表面等离激元性质的研究

增益介质不但可以弥补表面等离激元的传播损耗，而且可以使其受激辐射产生SPASER，它既可以作为表面等离激元的"源"用于器件集成，又可以产生世界上最小的激光器。该领域的研究对未来"光芯片"的诞生具有十分重要的意义。. 本项目以金属纳米颗粒、表面等离激元波导和表面等离激元晶体为研究对象，探讨在增益介质参与下，它们中的表面等离激元的性质。具体分为：一、基于表面等离激元"dark mode"与非"dark mode"的SPASER的研究；二、增益介质中表面等离激元传播特性的研究；三、表面等离激元晶体与增益介质之间相互作用的研究。揭示表面等离激元与增益介质之间的作用机制，特别是处于带隙边缘处的表面等离激元与增益介质之间的相互作用。为实现高Q值的SPASER和表面等离激元的调控提供理论依据。

表面等离激元(SPP, Surface Plasmon Polaritons)能把光波的能量束缚在亚波长尺度范围内，是实现集成化光子器件的重要途径，但由于能量的高度局域化，表面等离激元的传播损耗很大，因此，补偿表面等离激元的损耗是一个很重要的研究课题。为此，本项目开展了基于增益介质的表面等离激元性质的研究，在项目执行期间，我们开展了相应的研究并取得了一些的结果，共发表了7篇SCI论文。具体的成果有：一、涡旋共振模式(Toroidal Resonant Mode)的研究，该模式不同于常规的电多极子或者磁多极子，属于第三类多极子，需用涡旋极矩来描述。我们研究了两种不同微纳结构的涡旋共振模式，由于此模式不能和自由空间的光波耦合，因此是理想的SPP暗模式(Dark Mode)，适合作为SPASER(Surface Plasmon Amplification by Stimulated Emission of Radiation)中的共振腔，与他人的工作相比，我们的结构更简单，样品也更容易制备；二、表面等离激元暗模式与非暗模式耦合作用的研究，该相互作用会导致类电磁诱导透明(EIT, Electromagnetically Induced Transparency)的现象并产生高品质因子的透射峰，有利于实现表面等离激元的激射(Lasing)。我们在不引入复杂结构和破环结构对称性的前提下，在一种简单的U形结构中，通过改变样品的倾斜角度实现了两种模式的耦合。相对于现有的文献报道，该结构在制备和性能调控上更具有优势；三、低阈值表面等离激元激射(Low Threshold SPP Lasing)的研究，表面等离激元的激射对材料的增益系数有着较高的要求，一般只有在低温条件下才能实现。高品质因子的SPP模式和SPP带边模式(Band-edge Mode)，可以增强SPP和增益介质之间的相互作用，有效地降低SPP的激射阈值。我们研究了Fano共振模式和双周期结构的带边模式，发现利二者都可以实现低阈值的表面等离激元激射，这为实现常温下SPP的激射提供了可能；四、实验测量系统的升级完善。在项目的部分资助下，根据实验需求，我们自行设计和搭建了一套微区色散关系的测量系统，它可以测量微区样品的透射谱、反射谱、荧光谱及相应色散关系，扩展了我们的实验表征手段。