表面等离激元塔姆态及其应用研究

Surface plasmon polaritons have attracted much attentions in the recent years because they are suitable to achieve focusing to length scales smaller than the diffraction limit of light. We propose a novel type of nanoscaled Tamm states for light enhancement which we call plasmonic Tamm states (PTSs). Due to the PTS effects, fields can be enhanced for a second time at the terminal side of the MIM BR on the basis of the dimension confinement. PTSs structure is able to acquire large field enhancement without very sharp waveguide tapered end (< 10 nm), which can reduce the processing cost. In this project we study PTSs experimentally. PTSs structure are fabricated in metal-insulator-metal slot waveguides after parameters are optimized by simulation. The dual enhancement of electromagnetic fields is characterized by scanning near-field optical microscopy. Moreover, PTSs will be applied in Tip-enhanced Raman Scattering, which can focus light more efficiently and improve the detection sensitivity.

利用表面等离激元突破衍射极限的特性来实现电磁场高强度聚焦是纳米光子学领域的研究热点之一。申请人从理论上提出了一种新型的电磁场增益模式——表面等离激元塔姆态，这种电磁模式结合了表面等离激元的空间尺寸压缩放大和塔姆态共振增强放大的特性，可实现电磁场的双重增益。表面等离激元塔姆态电磁场增益并不单一的依赖于极端尖锐（<10 nm）的波导末端，可以降低加工成本；其双重电磁场放大特性又能保持极大的强度增益。在此项目中，我们拟以数值模拟为指导，从实验的角度研究表面等离激元塔姆态：通过在亚波长金属间隙波导中引入表面等离激元塔姆结构，再由扫描近场光学显微镜探测其近场分布，研究其场增益特性。进一步的，我们拟研究这种电磁场双重增益在单分子探测方面的应用，将表面等离激元塔姆结构与针尖增强拉曼散射技术相结合，为提高探测灵敏度和电磁场能量利用效率做出有益的尝试。

表面等离激元由于其在空间尺度上可以突破衍射极限，以及由次引起的超强的电磁场增益而在近年来得到了极大的关注。其在非线性光学，光学传感器，全光集成回路器件等方面有着重要的应用前景。在本项目中，我们研究了本工作组早期从理论提出的一种全新的电磁场聚焦增益模式——表面等离激元塔姆态。相比传统的依赖减小波导横截面积实现聚焦的方式，表面等离激元塔姆态结合了表面等离激元的空间尺寸压缩和塔姆态共振增强两种放大特性，可以实现极强的双重电磁场增益。尤其在纳米尺度下，这种增益不需要极端尖锐的波导末端（<10 nm），因此也大大降低了加工的成本和难度。我们在理论分析和设计的基础上，从实验上实现了表面等离激元塔姆态的激发，并研究了其在非线性三次谐波激发方面的应用。. 在理论方面，我们建立了基于表面等离激元纳米结构的全套纳米等离激元结构阻抗算法，大大减少了模型设计和优化的计算时间；设计并研究了基于电介质-金属-电介质波导的表面等离激元塔姆态，充分利用了电介质-金属-电介质波导低损耗，传输距离长的特点。其中奇偶两种表面等离激元塔姆态模式还在全光开光等方面有应用前景；设计了新型的三维表面等离激元塔姆态结构，可将自由空间中传播的平面波聚焦到百纳米量级的空间尺寸，理论预计有三个数量级的电场和磁场强度的放大。. 在实验方面，我们通过飞秒三光子成像的方法来记录表面等离激元的传输，并进一步的对表面等离激元塔姆态的场增益情况进行表征。在具体实验过程中，我们设计了光学纳米天线来将自由空间传输的1560 nm波长的飞秒光转换成表面等离激元并耦合进表面等离激元塔姆态结构，通过记录由于表面等离激元引起的三光子荧光的空间分布来对表面等离激元成像。在塔姆态结构的末端，由于有超强的电场增益，我们观测到了强的三次谐波，而作为对照的等离激元波导没有明显的信号。实验表面，我们的表面等离激元塔姆态结构可以将三次谐波信号放大三个数量级。