開放式盒子中的等離激元生成微型激光器

開放式盒子中的等離激元生成微型激光器

　　上圖所示為構成微型激光器的銀制腔和側壁，是由美國國家標準與技術研究院(NIST)的科學家們制造而成。腔體的薄涂層(紅色平層)為放大層，在上方光照下(藍綠色光束)可引發表面等離極化激元(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，使研究人員能夠監測由于腔體底板上分子的存在而引發的小波長偏移。

　　Credit: NIST

　　美國國家標準與技術研究院(NIST)的科學家們研發出了臺可以將光線引入一個開放式金屬溝槽底部的微型激光器。作為一種納米級裝置，這種激光可用于檢測環境中的微量污染物及其他化學物質，或檢測生物分子的表面附著，便于醫療診斷。

　　朱文奇(Wenqi Zhu)，來自于美國國家標準與技術研究院(NIST)和馬里蘭大學，與美國國家標準與技術研究院的物理學家Henri Lezec、Amit Agrawal在近一期的《科學進展》(Science Advances)雜志中介紹了他們的研究工作。該項工作是NIST與中國南京大學和美國密歇根大學合作完成的。

　　這臺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)。這種光波受嚴格限制，只能沿金屬表面移動。由于限制使然，表面等離極化激元對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銀制的小型溝槽形開口腔，表面等離極化激元可在其中產生共振。腔體是一個平面，兩側是微小的鏡面側壁，可以來回反射表面波。

　　經過精心制造，諧振腔具有兩個關鍵特性：其所有內部表面在原子尺度上是光滑的，厚度變化不過幾納米，且其側壁垂直于平坦的諧振腔底板。這種設計是通過使用一種圖案化的硅模板鑄造銀得以實現，它使表面等離極化激元能夠在腔內來回返彈數百次，且不會損失大量能量，就像一根可以長時間保持一個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，只有那些波長落在窄帶內的才能在腔體中產生共振。窄帶范圍很重要，因為它使諧振腔(甚至在組成激光器之前就可以)成為一個高度靈敏的探測器，可以檢測其環境中的微小變化，即是否存在微粒物質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中心發生轉移。

　　“通過實現窄共振，波長的變化顯而易見，開放腔可以充當一個極度靈敏的探測器，” Lezec說。

　　在證明腔體可用作傳感器后，研究團隊隨后將其設計轉變為激光器。他們通過在腔體中加薄涂層來增強表面等離極化激元在結構中的傳播強度。Lezec指出，這是有史以來個通過操縱表面等離極化激元在單一金屬平面上傳播而構建的納米級激光器。

　　模擬結果表明，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生物、化學和環境材料更為敏感的探測器。激光器的設計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的新研究成為可能，即物質與光的量子特性間的納米級相互作用。

　　該項研究在NIST納米科學技術中心進行，此中心是該機構的納米技術共享場所，合作的幾個成員也都隸屬于馬里蘭大學的馬里蘭納米中心。

開放式盒子中的等離激元生成微型激光器