光学天线增强的发光及其调控的纳光源研究

Vectorial optical fields, nanostructures, SPP, active materials, antenna effects and coupled resonance are involved to study the enhanced light emission, energy localization, loss, amplification and stimulated emission etc. Effective methods will be established to study the mode distribution of optical antennas, excitons, fluorescent molecules(quantum dots) and their interactions. The explicit influence of the structure of optical antennas on light emission from nano-emmitters in terms of the molecular fluorescence's spectrum,intensity,directivity,direction,polarization and photon angular momentum will be given and the stimulated emission process of gain material in resonant optical antennas will be studied. The impedance matching problem among fluorescent molecules and optical antennas will be improved, and low-cost, easy-to-fabricate, high-quality optical antenna structure as well as the precise control of the active media will be developed to realize optical nanoscale light source. The research of this project will lay foundations for the area of ultra high sensitivity and super-resolution spectral technique, nanophotonics, quantum information and fruitful new results will emerge in related fields.

本课题将矢量光场、纳结构、SPP、有源、天线效应及其耦合共振作用过程等结合起来，研究光学天线结构增强的发光、能量局域、损耗、放大以及激射等问题；发展行之有效的计算光学天线本征模式的方法，建立光学天线模态、激元、有源物质相互作用的理论描述和分析方法，明确天线结构对分子发光光谱、强度、偏振特性以及光子的角动量的调控特点、规律，以及增益物质在共振天线调控结构中的受激放大辐射过程等；研究光学天线和发光分子间的阻抗匹配问题，发展低成本、易实现、高质量光学天线的制备以及有源介质在光学天线中的精确操控技术，实现纳光源。通过本课题研究希望为高灵敏超分辨光谱技术、纳米光子学、量子信息等领域的应用需求提供相关理论基础、创新成果。

该项目将矢量光场、纳结构、SPP、有源、天线效应及其耦合共振作用过程等结合起来，在光学天线结构增强发光、能量局域、损耗、放大以及激射等方面进行了深入的研究，取得了一些重要的成果。特别是，提出了Tamm Plasmon-coupled emission (TPCE) 的新概念，TP与荧光粒子耦合可实现近似零度（垂直于样品表面）的高方向性荧光辐射，且简单地通过调节样品结构，即可实现不同波长荧光的零角度出射，此结构可用于发展新型的光学色散器件及其高方向性的纳光源；设计了一种易制备、可重复、多参数可调谐的银纳米天线阵列复合可控纳腔双色共振系统，实现了基于该结构的SPP激光源；基于阿基米德螺旋天线对入射光（泵浦光）角动量的选择性以及双共振天线对辐射/激发方向性的调控，将设计好的纳米散射天线精确制备于螺旋天线几何中心，实现了入射光（泵浦光）和散射光（辐射光）的调控，可有效区分不同手性的圆偏入射光，以及调控辐射场的偏振特性，该结构可用于实现高效的新型纳光源。上述相关研究在国际学术界产生重要影响，已在Optica, Nano Letters, Scientific Reports, Physical Review B, Optics Express, Optics Letters, Nanotechnology等刊物上发表SCI论文22篇。课题执行期内发表的论文被他引107次。获发明专利3项。另外，课题执行期内共有9人获博士学位，3人获硕士学位，4人次分获中国科学院院长奖、研究生国家奖学金等各类奖项。