金属微纳结构中光和物质相互作用及纳米光场调控研究

Manipulation and application of surface plasmon polaritons (SPPs) and their interaction with matter have been two key issues in plasmonics. In this project, we will merge the two issues and investigate new means for nanoscale light-matter interaction and optical field manipulation in metallic nanostructures, and explore new ways for high-efficiency excitation, transportation, radiation, amplification, and lasing. In particular, we will study enhancement of atom, molecule, and quantum dot fluorescence and Raman scattering by plasmonic nanocavity and other three-dimensional nanostructures, and control the spatial and temporal profiles of these radiations. We will design and fabricate holographic metallic microcavity in coorperation with semiconductor optoelectronic materials to realize SPP excitation, amplification, and lasing with modal selection such as Gaussian beam mode and higher order modes. We will study SPP transport along the interface between metallic nanostructures and nonlinear optical crystals and second harmonic generation with phase matching and plasmonic resonance enhancement. The success of this project will help to strengthen our understanding on new physical mechanisms and laws of nanoscale light-matter interaction, explore new approaches and technologies of nanoscale optical field manipulation in application to important areas such as optical integration, biosensing, precision measurement, information processing, and clean energy.

对表面等离激元的传播及其与物质相互作用的调控和应用研究一直是表面等离激元光学的两个核心科学问题。本项目将综合考虑两个基本问题及其交叉，探讨金属微纳结构中光和物质相互作用及纳米光场调控的新机理，探索表面等离激元高效激发、传播、辐射、放大和激射的新方法。项目将研究金属纳米共振腔等三维结构对原子、分子和量子点等的荧光辐射和拉曼散射的增强作用，同时调控辐射光的空间和时间分布形态。设计和制备金属全息谐振腔，与半导体量子阱材料结合，以实现表面等离激元辐射和激射的模式选择，产生高斯基模和高阶模式。研究金属微纳结构和非线性晶体界面的表面等离激元二次谐波产生的相位匹配性质及共振增强。项目的成功将有助于深入理解纳米尺度上光和物质相互作用的新物理和新规律，开发纳米光场调控和应用的新方法和新技术，以应用于光子集成、生物传感、精密测量、信息处理和清洁能源等国计民生领域。

深入理解纳米尺度上光和物质相互作用的新物理和新规律，开发纳米光场调控和应用的新方法和新技术，以应用于光子集成、生物传感、精密测量、信息处理和清洁能源等国计民生领域，具有重要的科学意义和实际应用价值。本项目深入探讨了金属微纳结构中光和物质相互作用及纳米光场调控的新机理，探索表面等离激元高效激发、传播、辐射、放大和激射的新方法，主要成果如下：. (1) 首次提出一种基于纳米剪纸的三维微纳加工技术，可以使二维纳米图案通过形变、原位构建三维立体结构，从而克服了传统的自上而下、自下而上、自组装等方法在几何形貌等方面的局限，为三维微纳加工技术领域提供了一种新的概念和思路。制备了一系列新颖的三维超材料结构，首次在光学系统中观测到了Fano共振之间的强耦合现象。. (2) 实现了可以同时调控横模以及纵模的等离激元微腔，为实现高Q、模式可调的SPP激光器提供了很好的平台；设计了基于金属微纳结构和相变材料复合的可见及近红外波段超宽谱及偏振不敏感的完美吸收体。. (3) 针对表面增强拉曼散射（SERS）和针尖增强拉曼散射（TERS），建立了一套涵盖微纳尺度上宏观、介观和微观增强机制的拉曼散射统一理论；构建了光纤-金薄膜-金纳米颗粒复合的三维金属微纳结构，实现了对分子荧光辐射的巨大增强。. (4) 在啁啾结构的周期性极化铌酸锂晶体中，基于多阶准相位匹配过程和能带设计方法，首次在单块非线性晶体中实现高次谐波产生。构建了一套能够系统地研究铌酸锂薄膜中非线性频率转换的模式相位匹配及定量计算转换效率的解析理论方法。.本项目在PRL, Sci. Adv.等重要的光学和物理学期刊上发表论文52篇，撰写综述论文6篇，申请国家发明专利7项，国际会议邀请报告40人次，项目负责人入选2018年科睿唯安全球高被引科学家及2016-2018爱思维尔中国高被引科学家，单块非线性晶体高次谐波产生的研究成果入选2015年中国光学重要成果。项目较好地完成了各项指标和任务。