金属纳米颗粒阵列中表面等离激元的受激辐射放大特性研究

The dynamics of excitation process between surface plasmons in metal nanostructure and single quantum systems in the vicinity give rise to exciting optical phenomena. Study on the realization of surface plasmon amplification by stimulated emission of radiation (spaser), by compensating the Joule loss of the metal with the gain material composed of atoms, molecules or quantum dots, is one of the major fields of research in micro- and nano-optics. The project will study the mechanism of the coherent coupling between the surface plasmon and dye molecule exciton, and the spaser properties of two-dimensional periodic metal nanostructures. We will study surface plasmon properties of metal nanoparticle arrays, which can support a high-Q and coherent lattice plasmon modes, on the basis of the discrete dipole approximation and the coupled dipole method. And investigate the coupling mechanism and the energy transfer process using electrodynamic methods associated with the quantum theory. Then analyze the direction and intensity of the lasing action with finite-difference time-domain (FDTD) simulation. These research not only further the understanding of the spaser system, but also provide guidelines for developing new type of plasmonic source devices.

金属纳米结构中的表面等离激元与紧邻的单量子体系耦合作用的激发动力学过程呈现出新奇的光学现象。其中，通过原子、分子或量子点组成的光学增益介质，补偿金属表面等离激元模式共振时的欧姆损耗，从而实现表面等离激元的受激辐射放大(spaser)，是当前微纳光学与光子学研究的主要领域之一。本项目拟研究二维金属纳米颗粒阵列中表面等离激元与染料分子激子相干耦合效应的机制及其体系的spaser特性。我们将用离散偶极近似方法结合耦合偶极子理论研究金属纳米颗粒阵列的表面等离激元共振特性，着重研究衍射阵列中具有高品质因子的相干表面点阵共振模式；用经典电动力学原理结合量子理论对表面等离激元-激子的耦合机制及其能量传递过程进行理论探讨；用时域有限差分法(FDTD)仿真模拟研究点阵等离激元激射的方向性和强度。本研究有助于加深对spaser系统的理解，也为有源等离激元纳米光学器件的设计提供理论依据。

表面等离激元的受激辐射放大(spaser)为构建突破衍射极限的光发射源提供了可能。而实现这类纳米光源单一方向性的出射需要精确地调控等离激元共振腔中的腔模式以及模式之间的相互耦合作用，这是仍然是一个最根本的挑战。项目针对等离激元纳米激光器单一方向性的出射问题进行了较深入的研究。首先，我们研究了由作为偶极发射腔的金属纳米棒构成的二元端射阵的发射方向性，发现可以通过改变纳米棒的间距调控偶极发射之间的相位相干干涉，从而实现较好方向性的发射。并据此计算分析了多元端射阵的出射特性，发现汉森-伍德亚德端射阵的出射方向可进一步提高。其次，我们通过在金属纳米结构中引入对称破缺因素，诱导产生高阶多极等离激元共振模式，利用模式间的相长干涉，理论上实现了单一方向性的激射。最后，我们研究了增益介质中由金属纳米颗粒组成的二维有序阵列中等离激元共振的远场光学特性，研究表明，阵列中局域表面等离激元的远程电磁耦合作用会激发具有极窄线宽的相干点阵等离激元模式，允许大面积方向性的激光出射。