基于金属纳米结构的新型光场产生、调控及与物质相互作用研究

Although the speed of traditional photonic devices can be several orders higher than that of the electronic devices, their size is limited by the diffraction limit and much larger than that of the electrical devices. This bottleneck in applications needs to be solved. The launching of surface plasmon polaritons (SPPs) in metal nanostructures may result in the size of photonic devices being compatible with that of the electric devices. A revolutionary breakthrough in the new generation of photonic integration may be realized. In this project, we will study the new method and principle of new optical field generation and control beyond the diffraction limit based on SPPs. We will obtain the control of the intensity, polarization, phase and time process of light or SPPs at the subwavelength scale. We will study the interaction between materials and strongly confined light field, and control the lifetime, directivity, polarization, and spectrum. We will obtain strong material-SPPs coupling and study their properties. We will develop new ultrafast SPP laser sources and obtain ultrafast SPP switch. Based on the novel results in the field of optical antennas and nanocavities, we will show the new phenomena of light at the subwavelength scale and reveal new physics. This project will provide method and scientific and technical reserve to meet the national great strategic demand. Our research team will become a strong contingent of top-flight professionals.

光子学器件在速度上可以比电子学器件高数个量级，由于存在衍射极限，单元器件尺寸远大于电子学器件，是亟待解决的应用中的瓶颈。利用金属结构中表面等离激元(SPP)的激发可以实现突破衍射极限的光场调控，使得光子学器件在尺寸上可望与电子学器件相比拟，带来新一代光子集成的革命性突破。本项目研究基于SPP的突破衍射极限的新型光场产生和调控的新方法和新原理，利用金属纳米结构在亚波长尺度调控光或SPP的强度、偏振、相位、空间分布和时间过程等；研究强局域下光场与物质的相互作用，调控荧光寿命、方向性、偏振和光谱，获得强耦合并研究其特性；获得新型超短脉冲SPP激光源和超快SPP开关。本项目基于我们在光学天线和金属纳米腔研究上的一系列创新成果，将发现亚波长尺度下光学新现象，揭示新物理，为国家新型光场调控和新一代光电子集成回路的重大需求提供基础性和前瞻性的科学技术储备，成为一支国际上有重要影响的高水平研究队伍。

光子学器件在速度上可以比电子学器件高数个量级，由于存在衍射极限，单元器件尺寸远大于电子学器件，是亟待解决的应用中的瓶颈。利用金属结构中表面等离激元(SPP)的激发可以实现突破衍射极限的光场调控，使得光子学器件在尺寸上可望与电子学器件相比拟，带来新一代光子集成的革命性突破。本项目研究基于SPP的突破衍射极限的新型光场产生和调控的新方法和新原理，利用金属纳米结构在亚波长尺度调控光或SPP的强度、偏振、相位、空间分布和时间过程等；研究强局域下光场与物质的相互作用，调控荧光寿命、方向性、偏振和光谱，获得强耦合并研究其特性；获得新型超短脉冲SPP激光源和超快SPP开关。. 本项目证明了表面等离激元与碳纳米管的三维光电混合集成的可能，为下一代光电混合集成电路提供了方案；实现了两种亚波长折射率传感器，获得了接近传统棱镜传感器的传感性能，达到了实用化的标准；首次实现了亚波长的光学霍尔效应器件和三维路由器，为高密度光子学集成提供了方法；提出了两种超精密位移传感器，在获得埃量级的分辨率的同时，分别实现了超长测量范围的位移传感和能够对二维平面内任意点测量的位移传感。本项目首次在金属纳米颗粒和材料的复合体系中发现吸收谱中获得强耦合的同时，其圆二色谱同样存在能级的劈裂，为强耦合的研究提供了新的方向；提出了利用行波天线增强荧光辐射的方案，可以使大量荧光分子与表面等离激元波导直接耦合并通过天线辐射，调控了荧光辐射的方向性和寿命。本项目实现了金属腔表面等离激元激光器，金属腔形状可控，输出的表面等离激元激光直接耦合进入表面等离激元波导，并获得了皮秒量级的表面等离激元脉冲输出，为超快片上光源提供了思路；我们基于非晶硅和纳米光学天线复合结构实现了亚波长的超快光开关，调制时间为3皮秒。