基于亚波长金属结构的有源粒子辐射光场调控研究

The physical interaction between optical emitters and subwavelength metallic structures is one of the hot topics in nano-photonics, which is of high importance in basic physics and applications, such as in the areas of nano light source, photovoltaic engineering and super-resolution imaging .In this proposal, the subwavelength metallic structures and the vector laser beam of unique focal properties are adopted to modulate the radiation field from the emitter (such as the dye molecules used in bio-samples) inside the metallic structures. The modulated optical paramaters are the intensity, emission direction, polarization state of the emitting fluorescence. Numerical simulation and theoretical analysis will be used to investigate the excitation, transportation, field distribution of the plasmonic modes supported by the metallic structures, especially the modulated the radiation field from the emitters in the near-field and far-field regions. The numerically designed metallic structures will be fabricated with wet-chemistry method, electronic beam lithography (EBL), and also the UV lithography. The optical behaviors of emitters inside these metallic structures will be characterized with a home-built leakage radiation microscope (LRM). Based on the theoretical and experimental results, the physical principles behind the optical modulation can be derived out, which will be used to develop novel fluorescence miscroscopy of high spatial resolution, high sensitivity and high contrast.

有源粒子与亚波长金属结构的相互作用是当前纳米光子学领域的重点研究方向之一，既具有基础的物理意义又有广泛的应用前景，如在腔QED，纳米激光器、超分辨光学成像等方面。本项目中，申请人拟结合亚波长金属结构与具有独特性质的矢量光束,实现尺度小于衍射分辨极限区域内有源粒子（如标记生物样品的染料分子）辐射场三个光学参量的同时调控，包括辐射强度、方向、偏振态等。理论上，利用数值模拟与理论分析手段，研究有源粒子掺杂亚波长金属结构中表面等离激元模式的激发、传输、分布，特别关注有源粒子辐射场光学参量随金属结构与光束参数的变化规律。实验上，充分利用本课题组在微纳加工与表征上的优势，制备有源粒子掺杂亚波长金属结构与新型矢量光束；利用有一定特色的自制显微系统表征有源粒子光学行为。在此基础上，揭示亚波长金属结构调控有源粒子辐射光场的清晰物理图像，进而发展新型的高分辨、高灵敏度、高对比度荧光显微术。

有源粒子与亚波长结构的相互作用及相关微小光学器件与系统的研制是当前纳米光子学领域的重点研究方向之一，既具有基础的物理意义又有广泛的应用前景。项目执行期间，申请人共发表或接收第一或通讯作者SCI论文23篇，其中中科院分区1区：10篇，包括1篇Nature Communications，1篇Nano Letter，2篇ACS Nano，1篇Advanced Materials, 1篇Optica，1篇Laser & Photonics Reviews等。申请专利3项，获批1项发明专利，2项实用新型专利。本项目的研究内容主要包括：亚波长微纳结构的设计、制作、表征；结构参数对其负载局域光学模式特性的影响；亚波长结构对发光粒子光学行为的调控特性；基于上述研究，发展相应的光学显微成像、传感技术；研制基于亚波长结构的微小光学器件与系统。本项目执行期间，申请人圆满完成了预先设定的各项研究目标，取得的重要成果包括：利用亚波长多层纳米薄膜载玻片的实现了荧光定向辐射，基于此发展了多种新型的荧光显微成像与传感技术；研制出了新型的有源聚合物光波导，从分子层面实现了对荧光辐射特性的调控，可望发展出新型的光波导传感器件；提出了一维布洛赫表面波的新概念，解决了极细聚合物纳米线在玻璃衬底上无法传光的难题；首次实现了液体环境中的无衍射表面光束与动态可重构布洛赫表面波；可用于发展新型的基于表面波照明的光学显微成像、传感、操控技术研发。