基于纳米电路的纳米结构探测器与纳米激光器

The fast development of Plasmonics has boosted the study of nano circuit theory. However, the current theory can only explain and predict the characteristics of one dimensional nano circuit. Due to the strong interaction of local electromagnetic field, which makes the components of nano circuit in different directions not independent anymore, the understanding of two & three dimensional nano circuit is still an unsettled question. In this project, we will try to study the strong interaction of local electromagnetic field both theoretically and experimentally. The effect of asymmetry caused by the dielectric media and the structure will be considered for better understanding of the physics inside the nano circuit. Furthermore, a new method to detect nano structure is proposed based on the three dimensional projection of the scattering spectrum from the nano circuit. It will find application in the nondestructive measurement of novel nano materials and soft materials. Finally, we propose an easy-made and cheap method to design nano laser, based on the dual structure resonance of both pumping and emitting light. This project will promote the development of nano circuit theory, and expand the application of nano devices.

表面等离激元光子学的发展促进了纳米电路理论的形成。然而，现有的纳米电路理论只能很好地解释一维情况，对于二维和三维的纳米电路的研究依然是一个未决的话题，原因在于高维的纳米电路中往往存在很强的局域场相互作用，这种作用使得各个方向上的分量不再独立。本项目从理论和实验两方面去理解高维纳米电路中局域场强相互作用，考虑对称性对其局域场分布的影响，深入研究其物理基础。在此基础上，利用纳米结构散射谱的三维投影，我们提出并验证一种探测纳米结构的方法，并将之用于对各种新型纳米材料的无损测量。最后，我们设计一种简易、廉价的有源纳米电路，并优化设计，利用泵浦、发射波长的双共振效应实现纳米激光器的激射。本项目的研究将促进纳米电路理论的发展，拓展相关纳米器件的潜在应用空间。

表面等离激元光子学的发展促进了纳米电路理论的形成。本项目的研究将促进纳米电路理论的发展，拓展相关纳米器件的潜在应用空间。本项目的研究内容主要包括三个方面：1.实验验证表面等离激元多维光学纳米电路理论；2. 利用表面等离激元探测纳米结构的空间信息；3. 表面等离激元激光器的实现。经过四年的努力，我们全部完成了这几项内容，并有9篇文章相关的文章在国际顶级期刊上发表，2件国家发明专利获得授权。主要结果及其科学意义如下：我们利用原子力显微镜实现了光学纳米电路的任意组装和排列，实验结果、电路理论分析结果和模拟结果三者高度一致，证实了这种方法的可行性。有关文章发表在Nature Communications上面。在随机激光领域，我们研究了一种覆盖全光谱的宽带随机激光输出的方法，有关工作发表在Advanced Optical Materials上面。我们还研究了通过级联泵浦实现相干光输出的方法；研究了利用表面等离激元自组装体实现量子点荧光增强的方法，实现了RGB白光的整体增强，发表在Advanced Optical Materials上面。这些方法在显示领域具有独特的价值。在空间结构传感器方面，我们研究了利用散射谱M值方法探测金纳米小球三聚体夹角的方法，这种方法为表面等离激元粒子在超分辨量角器的应用铺平了道路，发表在Optica上。我们研究了利用单晶银板的低损耗表面等离激元在二维半导体材料中实现级联的激子能量转移，将激子的名义扩散距离从不到1微米增加到超过40微米。这件工作对于半导体激子器件的研究具有重要价值，发表在Nature Communications上面。