基于光学天线的纳米尺度光场调控研究

In this project,we apply antenna theory to metallic nano-structure investigation of enhanced local magnetoelectric field,illumination and spectrum.Due to its unique polarization and phase properties, vector optical field will be used to manipulate dynamically the locallized electromagnetic field of optical antennas.Optical antenna enhanced quantum emitting will be studied through analyzing the local density of electromagnetic states around the optical antennas.The physics of interaction between optical antenna and quantum emitter will be investigated by the experiments of leakage radiation microscopy and related spectrum measurements.The research will also be extended to apply optical antenna to enhanced luminescence and high-sensitive spectrum sensoring.

本项目采用天线理论对金属微纳结构中局域光场、增强发光、增强光谱效应开展研究。结合聚焦矢量光束的独特光学性质，设计并实验研究矢量光束的偏振、位相分布等对光学天线局域光场的影响，以期获得可动态调控的纳米尺度光场分布。通过对光学天线局域电磁态密度的计算分析研究光学天线对发光体增强发光特性的调控。通过远场泄露辐射分布及光谱的测量研究光学天线与发光体之间相互作用的物理规律。进一步拓展光学天线结构在增强发光和高灵敏光谱传感方面的应用研究。

光学天线是实现光波远近场相互转换的桥梁，是纳米光子学中用于光场调控、发光调控和光谱调控的重要光子器件。本项目在深入研究光学天线调控光场机理的基础之上，对光学天线设计、制备以及其在发光和光谱探测等方面的应用等开展了一些列的研究并取得了一些有意义的研究结果。研究设计了一种双共振光学天线分别对荧光分子的激发和辐射进行共振增强，并对激发光和辐射光的方向性进行任意调控。基于这一思想，在实验上实现了一种光学天线调控的纳米激光，它具有模体积小、激射阈值低的特点。通过在阿基米德螺旋天线中心复合一个纳米孔洞，实现了天线的远场聚焦并可以对焦场分布便捷地进行调控。设计并制备了纵向耦合的光学天线，利用耦合间隔中增强的局域电磁场以及结构的天线效应实现了良好的表面增强拉曼散射光谱。我们的研究展示了光学天线在局域电磁场调控、光波共振频率调控、光波辐射方向调控等方面的强大能力，为光学天线在集成纳米光子学、纳米光学测量等领域的应用奠定了良好的研究基础。研究工作在Nano Letters, Scientific Reports, Optics Express, Optics Letters等重要学术期刊上总共发表SCI论文16篇，获得授权专利2项，培养博士研究生3人，硕士研究生4人。