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开放式盒子中的等离激元生成微型激光器

2019/2/19 14:10:36  来源:中国计量测控网 
字号: 13号字 16号字

   该装置可成为检测环境化学品和生物分子的精密传感器。

  来源:NIST新闻

  上图所示为构成微型激光器的银制腔和侧壁,是由美国国家标准与技术研究院(NIST)的科学家们制造而成。腔体的超薄涂层(红色平层)为放大层,在上方光照下(蓝绿色光束)可引发表面等离极化激元(SPP)激光;少量红色激光通过位于腔体底部下方的纳米凹口漏出,使研究人员能够监测由于腔体底板上分子的存在而引发的小波长偏移。

  Credit: NIST

  美国国家标准与技术研究院(NIST)的科学家们研发出了第一台可以将光线引入一个开放式金属沟槽底部的微型激光器。作为一种纳米级装置,这种激光可用于检测环境中的微量污染物及其他化学物质,或检测生物分子的表面附着,便于医疗诊断。

  朱文奇(Wenqi Zhu),来自于美国国家标准与技术研究院(NIST)和马里兰大学,与美国国家标准与技术研究院的物理学家Henri Lezec、Amit Agrawal在最近一期的《科学进展》(Science Advances)杂志中介绍了他们的研究工作。该项工作是NIST与中国南京大学和美国密歇根大学合作完成的。

  这台新激光器的研制原理依赖于光子(光粒子)和游离于金属表面的电子海之间的相互作用。光子和电子海中的波纹间产生相互作用,从而生出一种特殊类型的光波,称为表面等离极化激元(SPP)。这种光波受严格限制,只能沿金属表面移动。由于限制使然,表面等离极化激元对金属表面上的任何东西都极为敏感。

  作为制造微型激光器的第一步,该研究小组先做成了一个银制的小型沟槽形开口腔,表面等离极化激元可在其中产生共振。腔体是一个平面,两侧是微小的镜面侧壁,可以来回反射表面波。

  经过精心制造,谐振腔具有两个关键特性:其所有内部表面在原子尺度上是光滑的,厚度变化不超过几纳米,且其侧壁垂直于平坦的谐振腔底板。这种设计是通过使用一种精确图案化的硅模板铸造银得以实现,它使表面等离极化激元能够在腔内来回反弹数百次,且不会损失大量能量,就像一根可以长时间保持一个纯音符的吉他弦一样。这种特性被称为高品质因子或高Q因子,是打造激光器的必要条件。研究小组测量的Q值在仅使用表面等离极化激元的所有可见光谐振器中是迄今为止最高的。

  高Q值还使腔体成为表面等离极化激元最具选择性的滤波器,只有那些波长落在窄带内的才能在腔体中产生共振。窄带范围很重要,因为它使谐振腔(甚至在组成激光器之前就可以)成为一个高度灵敏的探测器,可以检测其环境中的微小变化,即是否存在微粒物质或是否在腔体底部另外形成了一层薄膜。这种变化将使得在腔体中共振的波长中心发生转移。

  “通过实现窄共振,波长的变化显而易见,开放腔可以充当一个极度灵敏的探测器,” Lezec说。

  在证明腔体可用作传感器后,研究团队随后将其设计转变为激光器。他们通过在腔体中添加超薄涂层来增强表面等离极化激元在结构中的传播强度。Lezec指出,这是有史以来第一个通过操纵表面等离极化激元在单一金属平面上传播而构建的纳米级激光器。

  模拟结果表明,与仅使用谐振腔相比,表面等离极化激元激光器可以成为一种对生物、化学和环境材料更为敏感的探测器。激光器的设计还使其能够轻易地集成到光子电路中,并将使量子等离子体学的新研究成为可能,即物质与光的量子特性间的纳米级相互作用。

  该项研究在NIST纳米科学技术中心进行,此中心是该机构的纳米技术共享场所,合作的几个成员也都隶属于马里兰大学的马里兰纳米中心。

  ——编译:李莉萍

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