金属纳米结构调控的单个量子发光体的光学特性研究

Metal nanostructures supporting surface plasmons can tightly confine light beyond the diffraction limit and provides huge enhancement of local electromagnetic field, which can largely enhance the light-matter interactions at the nanometer scale, and provides a very good platform to investigate the interactions between single quantum emitters and nanoscale optical field. The studies are very important for both fundamental scientific research and development of novel nanophotonic devices. In this project, we focus on the coupling system of metal nanostructures and single quantum emitters. Starting from the controllable assembly of this coupling system, utilizing various optical characterization techniques and theoretical simulations, we study how surface plasmons in metal nanostructures influence the quantum emitters’ spontaneous emission intensity, lifetime, direction and polarization, and study the strong coupling and nonlinear effects in this system, aiming to reveal the fundamental phenomena and mechanisms of the interactions between localized optical field and single quantum emitters.

金属纳米结构由于表面等离激元而具有突破衍射极限的光场束缚能力和巨大的电磁场增强特性，可以极大地增强纳米尺度上光与物质的相互作用，为研究纳米尺度上单个量子发光体与光场相互作用的现象、机理及其器件应用提供了一个非常好的研究平台，对于基础科学研究和新型纳米光子器件研制都具有重要的意义。本项目针对金属纳米结构与单个量子发光体的耦合体系，从该体系的可控制备入手，利用多种光学表征手段，结合理论模拟，研究金属纳米结构表面等离激元对量子发光体的自发辐射强度、寿命、发射方向和偏振的影响及其调控方法，研究金属纳米结构表面等离激元与量子发光体的强耦合和非线性效应，揭示金属纳米结构局域光场与单个量子发光体相互作用的基本现象、规律和机理。

金属纳米结构由于表面等离激元而具有突破衍射极限的光场束缚能力和巨大的电磁场增强特性，可以极大地增强纳米尺度上光与物质的相互作用，为研究纳米尺度上单个量子发光体与光场相互作用的现象、机理及其器件应用提供了一个非常好的研究平台，对于基础科学研究和新型纳米光子器件研制都具有重要的意义。本项目针对金属纳米结构与量子发光体的耦合体系，从该体系的可控制备入手，利用多种光学表征手段，结合理论模拟，主要研究了金属纳米结构表面等离激元对量子发光体的自发辐射强度、寿命、发射方向和偏振的影响及其调控方法，研究了金属纳米结构表面等离激元与量子发光体的强耦合效应。在实验上制备了多种等离激元纳米结构与量子发光体（量子点、单层二维材料）的耦合体系，实现了对荧光强度和衰减速率的显著增强，以及对荧光发射方向和偏振的控制。在微纳加工制备的单个等离激元纳米结构与单层二维材料的耦合体系中实现了表面等离激元与激子的强耦合。这些研究结果为增强和调控量子发光体的自发辐射以及研究表面等离激元与激子的强耦合效应提供了新的纳米结构体系，揭示了金属纳米结构表面等离激元的基本特性，以及金属纳米结构局域光场与量子发光体相互作用的基本现象、规律和机理。