高Q回音壁光学微谐振腔表面等离激元强耦合模式特性及应用

In the past years, plasmonic resonators have attracted more and more attentions for their great potential in miniaturizing photonic devices to nano-scale, strong local field enhancement and applications such as ultralow threshold lasers, weak light optical nonlinearity generation and ultrasensitive biosensors. However, due to the strong absorption of light in metal, plasmonic resonators usually have very low Q factor. Approaches have been explored, mostly theoretically, to suppress light absorption: combining plasmonic resonators with the high Q whispering gallery mode resonator successfully boosts Q values, the plasmonic-dielectric hybrid mode has Q value around a thousand; strong coupling of surface plasmon polariton (SPP) on both sides of metal film allows generating long range SPP waves. In this project, we will fabricate dielectric/metallic hybrid whiserping gallery mode optical resonators, investigate the strong coupling of SPP mode with dielectric resonant modes or SPP mode with the similar approach that has been used in metallic/insulator/metallic (MIM) and insulator/metallic/insulator (IMI) waveguide treatments. This should allow Q factors of the SPP mode to be obviously boosted and widely tuned, sub-wavelength size high whispering gallery mode cavities to be fabricated, and eventually optofluidic high sensitivity biosensors and low threshold fluidic lasers achieved.

表面等离激元（SPP）光学微谐振腔因能将器件尺寸缩小到亚波长尺寸、很大的局域场增强效应而在过去几年里受到广泛重视，有望在微纳米尺寸低阈值激光、弱光非线性光学效应、超高灵敏度光学传感等方面有重要的应用。但金属材料的强吸收效应导致难以产生高Q的SPP谐振模式。本课题申请拟构建介质/金属薄膜复合结构回音壁光学微腔，借鉴MIM和IMI波导SPP模式强耦合特性的研究经验，特别是光学介质模式和SPP模式强耦合特性研究的最新结果，利用SPP模式间强耦合特性结合回音壁模式光学微腔制备技术来显著提高SPP光学微腔的Q值。在此基础上，通过SPP回音壁模式的光场激发，研究SPP强耦合模式特性。利用SPP局域特性获得微米量级的高Q回音壁光学微腔，并结合光微流技术，来获得超高灵敏度的生物传感和超低阈值微流体激光。

表面等离激元(SPP)光学微腔可以很好地将SPP的传播特性和光学谐振腔的共振特性结合起来，使SPP光学微腔的模式体积达到更小，并利用光学谐振腔的共振特性进一步增强腔内能量，在微纳低阈值激光器、光学传感等方面有重要的应用价值。高Q值SPP微腔的实现和高效光耦合是SPP微腔光子学的研究难点。本项目旨在通过构建介质/金属薄膜复合结构回音壁模式光学微腔，利用SPP模式和光学回音壁模式之间的强耦合特性，显著增强SPP微腔的Q值，并将外界光功率高效耦合入SPP微腔模式中。通过本项目研究，我们在高Q微管、微瓶及微泡型光学微腔的制备，微瓶和微泡型光学微腔的模式特性研究，SPP回音壁光学微腔的构建、强耦合特性研究及应用等方面开展了深入的工作，获得了有意义的研究结果。主要结果有：构建了一种新型适用于模式耦合特性研究的SPP微泡光学微腔，即内壁镀有纳米厚度银膜的高Q薄壁微泡微腔；在理论上系统开展了SPP强耦合模式与微腔结构（微泡尺寸、壁厚、金属薄膜厚度、液体折射率等）之间的构效关系的研究，获得了实现各种强耦合效应的器件构型条件要求；实验上通过熔锥光纤耦合等方式，利用回音壁模式与SPP模式的耦合，成功获得高Q（大于10^5）的复合模式谐振，并利用这样的复合模式与内壁SPP模式的强耦合，高效率地将光场耦合进SPP模式中，为高效利用高Q SPP模式打开一条道路。此外，通过改变微泡微腔壁厚，还成功地观察SPP/光学回音壁复合模式、SPP与复合模式的强耦合效应。实现了阈值功率低于1 W的SPP回音壁光学微腔激光器，获得来自SPP与光学回音壁模式复合形成的激光模式。发现基于高阶SPP/回音壁复合模式与SPP模式的强耦合，可实现液芯折射率小于1.40情况下的SPP微腔传感，其对牛血清蛋白分子（BSA）的表面传感灵敏度可以达到1 pm/ (pg/mm^2)，比纯光学微腔的传感灵敏度高1-2个数量级。项目发表标注SCI文章8篇，国际书籍一个章节，在国内外会议上报告11次，其中特邀报告6次，举办国际会议1次。在项目开展期间，共有博士研究生9人，硕士研究生2人参与项目，完成博士毕业论文4篇，硕士毕业论文1篇。其中1名博士生获得2016年王大珩光学奖学生奖。