局域表面等离激元暗模式的激发、耦合及二次谐波增强研究

The plasmonic dark modes, featured with low radiative loss, long lifetime and significant local field enhancement, provide a great opportunity for the investigations of nanoscale light-matter interactions as well as the next generation ultra-compact optoelectronic devices. In this project, we intend to achieve the high-efficiency excitation of dark modes, develop the techniques to tailor their optical properties, uncover the mechanism for their interlayer coupling, and explore the intriguing effects resulted from their mutual interactions. Based on aforementioned findings and techniques, we want to propose a new method to enhance the second harmonic generation (SHG) of plasmonic structures and to further probe new applications of SHG. The research contents include: ①The fundamental physics of the interaction between vector beams and localized surface plasmons, the theory for vector beams excited dark modes, and the dark modes selection technique; ②The mechanism of dark modes coupling in layered cascade plasmonic structures, and the method for size and position manipulations of electromagnetic hot spot; ③Augmenting SHG of plasmonic structures with the spatial matching of dark modes, and the dark modes SHG based optical sensors for high-sensitivity position and refractive index measurements. Our research can provide theoretical and experimental foundations for optical information processing, frequency conversion and optical sensing, and should be beneficial for the investigations of elementary excitations in stereoisomers and two-dimensional materials.

局域表面等离激元暗模式具有较小的辐射损耗、较长的寿命和显著的局域场增强效应，为研究纳米尺度上光与物质的相互作用、构建未来光电子器件提供了巨大机遇。本项目旨在发展暗模式的高效光激发理论与方法，探索暗模式的主动调控技术，揭示暗模式层间耦合的机制，发掘模式耦合的新效应。以此为基础，提出增强表面等离激元二次谐波的新方法，并开拓二次谐波的新应用。主要研究内容包括：①探索矢量光场与局域表面等离激元的相互作用机制，建立基于矢量光场的暗模式的光激发理论，发展暗模式的选模技术；②探明多层级联表面等离激元结构中暗模式的耦合机理，研究电磁场“热点”大小和位置的调控技术；③探索基于暗模式空间匹配的表面等离激元二次谐波增强的新方法，开发基于暗模式二次谐波的高灵敏度光学传感技术。本项目可为纳米尺度的光信息处理、频率转换、光学传感等技术的发展提供理论与实验支持，并为立体异构体、二维材料等体系中元激发的研究提供借鉴。

局域表面等离激元暗模式具有较小的辐射损耗、较长的寿命和显著的局域场增强效应，为研究纳米尺度上光与物质的相互作用、构建未来光电子器件提供了巨大机遇。本项目旨在发展暗模式的高效光激发理论与方法，探索暗模式的主动调控技术，揭示暗模式层间耦合的机制，发掘模式耦合的新效应。以此为基础，提出增强表面等离激元二次谐波的新方法，并开拓二次谐波等新应用。内容主要包括：①通过裁剪矢量激发光的偏振分布，提出了一种等离激元模式的高效选择性激发方法，实现了金纳米球电偶模式极距方向的任意操控，在单根金纳米棒中匹配激发出了高阶暗模式，并结合相位迟滞效应在等离激元纳米腔中激发出了径向呼吸模式；进一步，利用暗模式较低的远场辐射损耗，实现了单颗粒水平下最高品质因子的折射率传感器。②利用聚焦矢量光场丰富的偏振态分布，实现了面内级联等离激元结构模式耦合的调控，得到了呼吸暗模式间耦合随结构参数的变化规律；进一步，借助矢量光场对模式耦合的调控，提出了一种捕获量子点的纳米光镊方案，实现了纳米结构远场的单向辐射，研发了一种量程可切换的纳米位移传感器。③结合暗模式强局域场、激发和发射的模式匹配，实现了等离激元结构二次谐波的极大增强。借鉴模式匹配的思想，利用等离激元纳米腔模式实现了二维半导体材料荧光的3个数量级增强。本项目可为纳米尺度的光信息处理、频率转换、光学传感等技术的发展提供理论与实验支持，并为立体异构体、二维材料等体系中的元激发的研究提供借鉴。