金属纳米腔中的受激辐射表面等离激元放大

Plasmonics is one of the hot area in the current scientific community. A great number of subwavelength optical funtionalized elements based on suface plasmons have been fabricated and have been widely used in information transfort, chemical dections, solar cells etc. Among all these devices, fabricating nano light sources is one new hot research topic which is considered to play an important role in integrated circuits. On the other hand, most of the positive surface plasmon-based devices suffer from high losses. After its invention, surface plasmon amplification by simulated emission of radiations (SPASERs) have been considered as the most effective solution for the high losses associated with surface plasmons. Due to their high localization, the optical density of state near a nanocavity is greatly enhanced, which can modify the decay rate of of the excited molecules/quantum dots into different channels. The higher the quality is, the larger the enhancement will be. In this project, we would like to investigate the simulated emission of gain medium near a one-dimension nanocavity and fabricate nanolasers.

表面等离激元光子学是当今国际范围研究的热门领域之一。利用表面等离激元可以制备一系列的亚波长光学功能器件，在信息传播、化学检测、太阳能电池等领域都有广阔的应用。其中，制作纳米尺度的光源是该领域的一个新兴的热点研究方向，可望在集成光子回路中扮演重要角色。另一方面，许多无源表面等离激元器件都受到表面等离激元的高损耗的制约。从被提出开始，受激辐射表面等离激元放大就一直被认为是突破这个制约和实现纳米光源的主要途径。由于表面等离激元的高局域性，纳米腔附近的光学局域态密度有很大的增强。可以改变分子/量子点等偶极跃迁辐射源往不同通道衰减的跃迁几率。纳米腔的品质越高，跃迁几率的修改越大。在本项目中，我们将研究一维纳米腔中附近的增益材料的受激辐射过程并以此设计纳米激光器。

表面等离激元光子学是当前研究前沿，在微纳尺度光与物质相互作用、纳米光学波导回路、增强光谱、化学检测、新型能源等方面中扮演重要角色。然而，表面等离激元的高损耗是制约该领域纵深发展的主要瓶颈。本项目重点从受激辐射表面等离激元放大方面探究是否可以突破这个制约。项目主要开展了无源表面等离激元纳米腔的优化设计、高品质纳米腔的可控制备与表征、增益材料与纳米腔的集成、表面等离激元与电子跃迁的耦合、纳米腔中的受激辐射放大这几个方面的研究内容。取得重要研究进展包括：实现了用单颗粒提高纳米腔端面反射率、发现品质因子可达到表面等离激元理论极限的纳米腔、实现高灵敏的距离检测，以及表面等离激元与半导体中的电子跃迁的强耦合。表面等离激元与增益材料中的电子跃迁之间的相互作用是项目的主要内容，而高品质无源腔的设计是取得强相互作用的保证。当然，项目最终未实现申请书中关于拓展应用，即实现室温下单颗粒等离激元激光这一极具挑战性的终极目标，但也依然实现单颗粒相干纳米光源。总之，项目顺利完成了申请书中所提出的主要研究内容并实现项目的核心研究目标，对后续开展纳米表面等离激元光电器件的纵深研发奠定了坚实的理论与实验基础。