表面等离激元光学新概念和新方法研究取得进展

表面等离激元（surface plasmons）是一种局域在金属和电介质的交界面处，同时沿着界面向前传播的电磁场模式。其独特的性质在集成光子学、生物传感、精密测量等领域有广泛的应用前景，并随着微纳加工技术的进步成为了非常有生命力的研究领域。最近，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）光物理实验室李志远研究员领导的L01课题组，在博士生陈宇辉，黄璐，以及青年职工李家方和甘霖等的共同努力下，在基于金属薄膜体系表面等离激元的新概念和新方法研究中取得了系列进展，包括利用增益介质实现了对表面等离激元的增益放大，以及提出了基于表面波全息的波前整形方法。

1.表面等离激元的自发辐射放大

表面等离激元作为一种存在于金属界面处的局域电磁场模式，金属自身存在的欧姆损耗从根本上限制了这类等离激元器件的性能极限。另一方面，由于表面等离激元是一种电子和电磁场相互耦合的电磁振动模式，因而金属电子本征的欧姆损耗有可能被光学增益介质补偿。可以期待，一旦光学增益介质和表面等离激元的结合被证明是可靠并且是实用的，那么表面等离激元光学将克服其根本局限性，实现更广泛的应用，更加深入地影响人们的生活。

通过在实验上采用经典的棱镜耦合结构（如图1a），我们将表面等离激元的辐射信号从系统中严格分离出来，直接观察到了在泵浦光作用下表面等离激元的放大效应（如图1b），指出这种现象是表面等离激元的自发辐射放大，而不是其他报导中的受激辐射。进一步的实验还发现，表面等离激元通过棱镜耦合而输出的光的角分布会随着泵浦功率的增大而变宽（如图1c-d），而不是通常认为的窄化效应。这种角度变宽的现象是由体系内的净增益增大而导致的，可以看作是表面等离激元放大效应在傅立叶空间中的反映。我们的实验和理论结果为认识表面等离激元在光学增益介质作用下的放大效应提供了直接的证据和新的分析角度。相关工作发表在2011年的Applied Physics Letters 98, 261912 (2011)以及2012年的Small 8, 1355–1359 (2012)上。

2.基于表面波全息术的波前整形

光波透过一个小孔的传输行为是一个古老的科学问题，却有着非常丰富的科学内涵。研究表明，当在金属薄膜上亚波长小孔的周围制作上周期性的凹槽后，透过小孔的光波将会沿特定的角度准直发射，而不是通常认为的那样衍射到各个方向上。利用表面等离子体结构实现亚波长光源辐射的准直和聚焦功能，引起了学术界的广泛关注，并且已经集成到发光二极管以及量子级联激光器的输出端面上，在保证耦合效率的情况下有效地缩小了输出发散角。对于复杂性大大超过准直和聚焦的任意波前整形功能，传统的方法需要借助十分冗长而复杂的电磁场逆问题求解。我们另辟蹊径，借助传统光学全息的概念，将其延拓到表面等离子体光学领域，提出了表面波全息术的概念和一系列理论方法，实现了表面等离激元结构对光束的整形与成像等复杂功能的正向设计，避免了传统逆向设计所需要的复杂计算。该方法可以非常容易地直接计算出对于特定传输功能的金属板表面刻蚀凹槽的几何形貌，通过这些凹槽结构调节透过小孔的表面等离子体波的散射和传播行为，使之在给定的空间位置上形成几乎任意给定形状的光场分布。根据这一方法，我们在1064nm波段成功演示了如何将通过一个半径为180nm的小孔的光波会聚成英文字母“L”形和字母“O”形（如图2）。此外，我们的实验还表明，这样的凹槽结构具有可叠加性，两套结构可以同时存在于一个表面并且同时工作。这些结果充分展示了表面波全息方法的波前整形能力，具有巨大的应用前景。相关工作发表在2011年的Optics Express 19, 23908-23920 (2011)以及自然出版集团于2012年新创刊的光学期刊Light: Science & Applications 1, e26 (2012)上。

以上研究工作得到了国家自然科学基金委、科技部和中国科学院项目的资助。

图1表面等离激元光波的自发辐射放大。(a)表面等离激元与增益介质相互作用实验的体系，其有效地将表面等离激元的辐射信号从系统中严格分离出来。(b)随着泵浦光功率增大，表面等离激元模式的自发辐射放大峰逐渐变得明显。(c)在不同泵浦功率下，波长592.87nm的耦合输出光随耦合输出角的变化情况，半高宽随着泵浦功率增加而变大。(d)输出角分布半高宽随泵浦功率增加而变大这一效应只发生在表面等离激元模式的自发辐射放大区域内，灰色区域所示为自发辐射放大区域。

图2 表面波全息设计方法对1064nm红外光波小孔衍射的波前整形演示。(a1)(b1)：设计的光场分布，分别为英文字母“L”和“O”。(a2)(b2)：制作的样品，为银薄膜上利用聚焦离子束刻蚀而形成的一系列复杂线条的凹槽结构。 (a3)(b3)：数值模拟结果。(a4)(b4)：实验结果，与理论计算及设计图案相符合。（来源：中科院）