科学家用开放式盒子中的等离子体创建微型激光器

美国国家标准技术研究所（NIST）的科学家们开发了第一台微型激光器，其中光沿着开放的金属沟槽的底板被引导。该微型激光可以作为纳米尺度装置来感测环境中的微量污染物和其他化学物质，或者检测生物分子的表面结合用于医疗诊断。

NIST和马里兰大学的WenqiZhu，与NIST的物理学家HenriLezec和AmitAgrawal在最新版“ScienceAdvances”期刊上描述了他们的工作成果（"Surface-Plasmon-Polariton Laser based on a MetallicTrench Fabry-Perot Resonator"）。该成果由中国南京大学和密歇根大学联合完成。

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插图描绘了由银制成的空腔和侧壁，形成了由NIST工作的科学家制造的微型激光器。空腔的超薄涂层（平红色层）是用于在上方照射下（蓝-绿光束）激发SPP激光的放大层；少量的激光通过位于腔体表面正下方的纳米级凹口射出，使得研究人员能够监测由腔体层上的分子激发的小的波长偏移。（图片：NIST）

新型激光器的发展依赖于光粒子（光子）与沿着金属表面漂浮的大量的电子之间的相互作用。大量的电子中光子和波之间的相互作用产生一种特殊类型的光波，称为紧密限制在金属表面上传播的表面等离子体激元（SPP）。这种限制使SPP对位于金属表面上的任何物体都非常敏感。

作为构建微型激光器的第一步，该团队用银制成一个小的沟槽形开口腔体，SPPs可以在腔体中谐振。腔体是一个平坦的表面，侧面是微小的镜状侧壁，侧壁能够来回反射表面波。

通过精细的制造，谐振腔具有两个关键特性：其所有内表面在原子尺度上是平滑的，厚度变化不超过几纳米，其侧壁垂直于平坦空腔的底板。通过使用精确图案化的硅模板将银塑造成型，这使得SPP能够在数百次之间来回反射的设计成为可能，而不会损失显着的能量，如长时间保持纯音符的吉他弦。被称为高品质因素或高Q值的特性对于构建激光器至关重要。对于任何只使用SPPs的可见光谐振器，由团队测量的Q值是迄今为止最高的。

高的Q值还使腔体能够作为SPPs的很合适的选择性滤光器，只有很窄的一段波长的波在腔内可以谐振。这个窄的范围是重要的，因为它使得谐振腔（即使是在它成为激光器的一部分之前）成为它所处环境（产生的微粒物质或添加到腔体底板上的薄膜）微小变化的高灵敏度检测器。这种变化使空腔中谐振的波长的中心偏移。

Lezec说道：“通过实现窄带波长的共振，波长的变化是清晰的，开放的腔体可以作为一个非常敏感的检测器。”

在证明该腔可用作传感器之后，然后该团队将设计重心转向了激光。他们这样做是通过在腔体中加入放大通过结构传播的SPP的强度超薄涂层。Lezec指出，这是通过操纵在单个平面金属表面上传播的SPP而构建的第一个纳米级激光器。

仿真表明，SPP激光器可以成为生物、化学和环境材料的灵敏探测器，而不仅仅是使用谐振腔。激光器的设计还使得它能够容易地集成到光子电路中，并且还可以实现新的量子等离子体激元、物质与光的量子特性的纳米尺度相互作用等方面的研究。

原文链接：https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news/newsid=48314.php

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