基于聚合物材料的有源表面等离子体元件及其中物理问题研究

从理论和实验两方面入手研究基于聚合物材料的有源表面等离子体元件的光学性能及其中物理问题。利用理论分析和数值计算方法，设计相关器件的结构参数。利用电子束刻蚀设备或深紫外光刻技术在金属薄膜表面制备发光粒子掺杂聚合物微纳结构，如有源表面等离子体单模或多模波导、分束器、耦合器、布拉格光栅反射器。搭建泄露辐射显微镜，对样品进行光学表征。重点分荧光粒子激发表面等离子体导膜补偿表面等离子体波传输损耗，以及将此种体系应用于发展表面等离子体激光器所涉及的物理机理问题，如增益介质的放大受激辐射，微纳结构组成的表面等离子体谐振腔形成机制等。对比分析实验和数值模拟结果，研究其中的物理问题，改进实验方案，为基于聚合物材料的有源表面等离子体光子学元件实用化和表面等离子体光学中物理理论发展做出贡献。

借助于青年基金的支持(11004182)，项目负责人在基于聚合物材料的有源表面等离子体（Surface Plasmons Polaritions, SPPs）光学领域开展了一系列研究工作。共发表SCI收录论文17篇，获批3项发明专利。执行期间，搭建了基于全息干涉的微纳加工平台，提出了基于导模干涉的亚波长光栅刻写方案，成功的在金属薄膜衬底上刻写了大面积亚波长聚合物光栅，实现了基于聚合物材料的有源SPPs光学元件的制备。搭建了基于显微成像的有源SPPs光学特性表征系统。此系统可获得基于聚合物材料的有源SPPs光学元器件的光谱、光传输信息；有源物质出射光的强度、方向、偏振信息。基于这些工作申请的3项发明专利均获授权。利用这两套自主搭建的光学系统，详细研究了聚合物材料负载的SPPs平面波导的传输特性，有源粒子与SPPs之间的共振耦合。在此基础上，我们巧妙用易于成膜、厚度可控的聚合物（PMMA）薄膜或聚苯乙烯（PS）小球做为间隔层（“gap”层），控制不同模式纵向间的共振耦合，简单有效地调控了耦合体系的光学特性，利用金属纳米颗粒的局域表面等离子体（Localized surface plasmons, LSPs）与金属薄膜的SPPs之间的共振耦合，获得了高局域、高强度、高灵敏度的光场，此光场可有效增强位于其近场区域被测分子的光学信号。目前，获得的最大荧光增强因子为521倍，能够探测到若丹明6G分子溶液最低浓度为10(-13)M。基于此我们发展制作了多种新型的高灵敏度传感芯片，相关结果已发表在Applied Physics Letters, Nanotechnology,Optics letters, Plasmonics等期刊。国际合作交流方面，与法国Université de Bourgogne的Dr. Alexandre Bouhelier合作，成功解析了银纳米线中传输的SPPs波导模式，实现了同一根银纳米线中光信号与电信号的同时传输。研究了两种信号同时传输存在的一些物理与技术问题。相关结果发表在Acs Nano, Nanotechnology 期刊上。总之，我们圆满完成了项目预期研究目标，取得了一定的研究成果。