金属微纳结构中量子点的Purcell效应和荧光发射调制

Quantum dots have many applications in the fluorescence labeling, the micro- and nano- light source and so on. They also have the disadvantages such as the weak autofluorescence intensity and the randomness of the emission direction and polarization. In the view of the applications and disadvantages above, theoretical analysis, numerical simulations, and experimental measurements are employed on the researches with our previous works: Metal structures in the micro- and nano- scales are designed, whose parameters will be discussed to explore the influences on the characteristics of the surface plasmon polaritons. Metal micro- and nano-structures with quantum dots in different parameters are compared to find out the impacts of quantum dots on Purcell effect. We also observe the principles that how do the different parameters of the structure and different metal structures influence on the emitting angle and direction of quantum dots. The further researches will be done on the contact between the principles and the characteristics of the surface plasmon polaritons in order to provide theoretical guidance and basis on the micro- and nano- light source with high-quality and high-strength.

基于量子点在荧光标记、微纳光源等领域的广泛应用，以及其自身荧光强度弱、发光方向和偏振随机等缺陷，并结合我们前期已有的工作基础，通过理论推导、数值模拟、实验测量等多种途径深入开展研究：设计具有优良特性的新型金属微纳结构，探索各种结构参数对其表面等离子体性质的影响；将金属微纳结构与量子点耦合，对比不同结构参数对其中量子点Purcell效应的影响；观察耦合体系中结构参数对量子点荧光发射角度和方向的调制规律；分析上述规律与结构中表面等离激元特性的内在关联，探索体系中的具体物理机制，为研发超亮准直的微纳光源提供理论指导和依据。

量子点是重要的纳米尺度光源，在高亮度光源、光通信和量子信息处理等领域具有重要应用前景。有效调控量子点光学特性，如亮度、寿命、方向和偏振等属于目前面临的重大科学挑战。我们通过金属纳米结构-量子点耦合系统，实现了对量子点光学特性的有效调控。.理论研究方面：我们设计多种金属纳米结构，通过研究模式分布、耦合和调控特性，揭示出了金属纳结构与量子点的耦合规律，发现了有效调控量子点特性方法；在样品制备方面，我们成功制备了多种金属纳米结构-量子点的复合结构，这些结构包含丰富模式，可以用来有效调控量子点的光学行为；在光学系统搭建发面，我们实现了多种光学系统，包括荧光强度和寿命三维扫描成像系统和傅里叶成像光学系统等，其中荧光强度和寿命三维扫描成像系统具有同时对荧光强度和寿命三维扫描成像、可编程路径的自动化扫描、灵活控制在每一位置采集数据的时长以及衍射极限的分辨率的突出特性。利用上述光学系统和我们制备的样品，我们在量子点荧光寿命和定向发射方面取得突出成果。在量子点寿命调控方面：我们利用表面等离激元调制量子点双光子荧光特性，发现了行波表面等离激元与局域表面等离激元对量子点调控规律和特点，特别是获得了极短的量子点寿命，仅有12皮秒，比目前报道的最短寿命少两个数量级。在量子点定向辐射方面：研究并实现了具有高度方向性且辐射方向可调的光学行波天线，其辐射瓣的半高宽分别低至37°和22°。该天线的辐射方向可由两种方式调控：改变V形行波天线的折角大小调控该天线的辐射方向，不同的银纳米线折角对应不同的辐射光方向性；以及改变馈入模式实现对辐射方向的调控，该银纳米线支持多种行波模式，通过改变激发光偏振方向角β，可以改变该天线的馈入模式，所对应的辐射方向也不同，从而实现在不改变行波天线物理结构的情况下改变其辐射方向，我们利用该天线实现了对量子点荧光辐射的定向，其定向性等同于天线辐射的定向性。