開放式盒子中的等離激元生成微型激光器

　　上圖所示為構(gòu)成微型激光器的銀制腔和側(cè)壁，是由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)的科學(xué)家們制造而成。腔體的薄涂層(紅色平層)為放大層，在上方光照下(藍(lán)綠色光束)可引發(fā)表面等離極化激元(SPP)激光;少量紅色激光通過位于腔體底部下方的納米凹口漏出，使研究人員能夠監(jiān)測(cè)由于腔體底板上分子的存在而引發(fā)的小波長(zhǎng)偏移。

　　Credit: NIST

　　美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)的科學(xué)家們研發(fā)出了臺(tái)可以將光線引入一個(gè)開放式金屬溝槽底部的微型激光器。作為一種納米級(jí)裝置，這種激光可用于檢測(cè)環(huán)境中的微量污染物及其他化學(xué)物質(zhì)，或檢測(cè)生物分子的表面附著，便于醫(yī)療診斷。

　　朱文奇(Wenqi Zhu)，來自于美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)和馬里蘭大學(xué)，與美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院的物理學(xué)家Henri Lezec、Amit Agrawal在近一期的《科學(xué)進(jìn)展》(Science Advances)雜志中介紹了他們的研究工作。該項(xiàng)工作是NIST與中國(guó)南京大學(xué)和美國(guó)密歇根大學(xué)合作完成的。

　　這臺(tái)新激光器的研制原理依賴于光子(光粒子)和游離于金屬表面的電子海之間的相互作用。光子和電子海中的波紋間產(chǎn)生相互作用，從而生出一種特殊類型的光波，稱為表面等離極化激元(SPP)。這種光波受嚴(yán)格限制，只能沿金屬表面移動(dòng)。由于限制使然，表面等離極化激元對(duì)金屬表面上的任何東西都極為敏感。

　　作為制造微型激光器的步，該研究小組先做成了一個(gè)銀制的小型溝槽形開口腔，表面等離極化激元可在其中產(chǎn)生共振。腔體是一個(gè)平面，兩側(cè)是微小的鏡面?zhèn)缺冢梢詠砘胤瓷浔砻娌ā?/p>

　　經(jīng)過精心制造，諧振腔具有兩個(gè)關(guān)鍵特性：其所有內(nèi)部表面在原子尺度上是光滑的，厚度變化不過幾納米，且其側(cè)壁垂直于平坦的諧振腔底板。這種設(shè)計(jì)是通過使用一種圖案化的硅模板鑄造銀得以實(shí)現(xiàn)，它使表面等離極化激元能夠在腔內(nèi)來回返彈數(shù)百次，且不會(huì)損失大量能量，就像一根可以長(zhǎng)時(shí)間保持一個(gè)純音符的吉他弦一樣。這種特性被稱為因子或高Q因子，是打造激光器的必要條件。研究小組測(cè)量的Q值在僅使用表面等離極化激元的所有可見光諧振器中是迄今為止高的。

　　高Q值還使腔體成為表面等離極化激元具選擇性的濾波器，只有那些波長(zhǎng)落在窄帶內(nèi)的才能在腔體中產(chǎn)生共振。窄帶范圍很重要，因?yàn)樗怪C振腔(甚至在組成激光器之前就可以)成為一個(gè)高度靈敏的探測(cè)器，可以檢測(cè)其環(huán)境中的微小變化，即是否存在微粒物質(zhì)或是否在腔體底部另外形成了一層薄膜。這種變化將使得在腔體中共振的波長(zhǎng)中心發(fā)生轉(zhuǎn)移。

　　“通過實(shí)現(xiàn)窄共振，波長(zhǎng)的變化顯而易見，開放腔可以充當(dāng)一個(gè)極度靈敏的探測(cè)器，” Lezec說。

　　在證明腔體可用作傳感器后，研究團(tuán)隊(duì)隨后將其設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)榧す馄鳌Ｋ麄兺ㄟ^在腔體中加薄涂層來增強(qiáng)表面等離極化激元在結(jié)構(gòu)中的傳播強(qiáng)度。Lezec指出，這是有史以來個(gè)通過操縱表面等離極化激元在單一金屬平面上傳播而構(gòu)建的納米級(jí)激光器。

　　模擬結(jié)果表明，與僅使用諧振腔相比，表面等離極化激元激光器可以成為一種對(duì)生物、化學(xué)和環(huán)境材料更為敏感的探測(cè)器。激光器的設(shè)計(jì)還使其能夠輕易地集成到光子電路中，并將使量子等離子體學(xué)的新研究成為可能，即物質(zhì)與光的量子特性間的納米級(jí)相互作用。

　　該項(xiàng)研究在NIST納米科學(xué)技術(shù)中心進(jìn)行，此中心是該機(jī)構(gòu)的納米技術(shù)共享場(chǎng)所，合作的幾個(gè)成員也都隸屬于馬里蘭大學(xué)的馬里蘭納米中心。

開放式盒子中的等離激元生成微型激光器