表面等離激元（surface plasmons）是一種局域在金屬和電介質(zhì)的交界面處，同時(shí)沿著界面向前傳播的電磁場(chǎng)模式。其獨(dú)特的性質(zhì)在集成光子學(xué)、生物傳感、精密測(cè)量等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景，并隨著微納加工技術(shù)的進(jìn)步成為了非常有生命力的研究領(lǐng)域。最近，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（籌）光物理實(shí)驗(yàn)室李志遠(yuǎn)研究員領(lǐng)導(dǎo)的L01課題組，在博士生陳宇輝，黃璐，以及青年職工李家方和甘霖等的共同努力下，在基于金屬薄膜體系表面等離激元的新概念和新方法研究中取得了系列進(jìn)展，包括利用增益介質(zhì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)表面等離激元的增益放大，以及提出了基于表面波全息的波前整形方法。

1.表面等離激元的自發(fā)輻射放大

表面等離激元作為一種存在于金屬界面處的局域電磁場(chǎng)模式，金屬自身存在的歐姆損耗從根本上限制了這類等離激元器件的性能極限。另一方面，由于表面等離激元是一種電子和電磁場(chǎng)相互耦合的電磁振動(dòng)模式，因而金屬電子本征的歐姆損耗有可能被光學(xué)增益介質(zhì)補(bǔ)償�？梢云诖�，一旦光學(xué)增益介質(zhì)和表面等離激元的結(jié)合被證明是可靠并且是實(shí)用的，那么表面等離激元光學(xué)將克服其根本局限性，實(shí)現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用，更加深入地影響人們的生活。

通過在實(shí)驗(yàn)上采用經(jīng)典的棱鏡耦合結(jié)構(gòu)（如圖1a），我們將表面等離激元的輻射信號(hào)從系統(tǒng)中嚴(yán)格分離出來，直接觀察到了在泵浦光作用下表面等離激元的放大效應(yīng)（如圖1b），指出這種現(xiàn)象是表面等離激元的自發(fā)輻射放大，而不是其他報(bào)導(dǎo)中的受激輻射。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，表面等離激元通過棱鏡耦合而輸出的光的角分布會(huì)隨著泵浦功率的增大而變寬（如圖1c-d），而不是通常認(rèn)為的窄化效應(yīng)。這種角度變寬的現(xiàn)象是由體系內(nèi)的凈增益增大而導(dǎo)致的，可以看作是表面等離激元放大效應(yīng)在傅立葉空間中的反映。我們的實(shí)驗(yàn)和理論結(jié)果為認(rèn)識(shí)表面等離激元在光學(xué)增益介質(zhì)作用下的放大效應(yīng)提供了直接的證據(jù)和新的分析角度。相關(guān)工作發(fā)表在2011年的Applied Physics Letters 98, 261912 (2011)以及2012年的Small 8, 1355–1359 (2012)上。

2.基于表面波全息術(shù)的波前整形

光波透過一個(gè)小孔的傳輸行為是一個(gè)古老的科學(xué)問題，卻有著非常豐富的科學(xué)內(nèi)涵。研究表明，當(dāng)在金屬薄膜上亞波長(zhǎng)小孔的周圍制作上周期性的凹槽后，透過小孔的光波將會(huì)沿特定的角度準(zhǔn)直發(fā)射，而不是通常認(rèn)為的那樣衍射到各個(gè)方向上。利用表面等離子體結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)亞波長(zhǎng)光源輻射的準(zhǔn)直和聚焦功能，引起了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，并且已經(jīng)集成到發(fā)光二極管以及量子級(jí)聯(lián)激光器的輸出端面上，在保證耦合效率的情況下有效地縮小了輸出發(fā)散角。對(duì)于復(fù)雜性大大超過準(zhǔn)直和聚焦的任意波前整形功能，傳統(tǒng)的方法需要借助十分冗長(zhǎng)而復(fù)雜的電磁場(chǎng)逆問題求解。我們另辟蹊徑，借助傳統(tǒng)光學(xué)全息的概念，將其延拓到表面等離子體光學(xué)領(lǐng)域，提出了表面波全息術(shù)的概念和一系列理論方法，實(shí)現(xiàn)了表面等離激元結(jié)構(gòu)對(duì)光束的整形與成像等復(fù)雜功能的正向設(shè)計(jì)，避免了傳統(tǒng)逆向設(shè)計(jì)所需要的復(fù)雜計(jì)算。該方法可以非常容易地直接計(jì)算出對(duì)于特定傳輸功能的金屬板表面刻蝕凹槽的幾何形貌，通過這些凹槽結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)透過小孔的表面等離子體波的散射和傳播行為，使之在給定的空間位置上形成幾乎任意給定形狀的光場(chǎng)分布。根據(jù)這一方法，我們?cè)?064nm波段成功演示了如何將通過一個(gè)半徑為180nm的小孔的光波會(huì)聚成英文字母“L”形和字母“O”形（如圖2）。此外，我們的實(shí)驗(yàn)還表明，這樣的凹槽結(jié)構(gòu)具有可疊加性，兩套結(jié)構(gòu)可以同時(shí)存在于一個(gè)表面并且同時(shí)工作。這些結(jié)果充分展示了表面波全息方法的波前整形能力，具有巨大的應(yīng)用前景。相關(guān)工作發(fā)表在2011年的Optics Express 19, 23908-23920 (2011)以及自然出版集團(tuán)于2012年新創(chuàng)刊的光學(xué)期刊Light: Science & Applications 1, e26 (2012)上。

以上研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部和中國(guó)科學(xué)院項(xiàng)目的資助。

圖1表面等離激元光波的自發(fā)輻射放大。(a)表面等離激元與增益介質(zhì)相互作用實(shí)驗(yàn)的體系，其有效地將表面等離激元的輻射信號(hào)從系統(tǒng)中嚴(yán)格分離出來。(b)隨著泵浦光功率增大，表面等離激元模式的自發(fā)輻射放大峰逐漸變得明顯。(c)在不同泵浦功率下，波長(zhǎng)592.87nm的耦合輸出光隨耦合輸出角的變化情況，半高寬隨著泵浦功率增加而變大。(d)輸出角分布半高寬隨泵浦功率增加而變大這一效應(yīng)只發(fā)生在表面等離激元模式的自發(fā)輻射放大區(qū)域內(nèi)，灰色區(qū)域所示為自發(fā)輻射放大區(qū)域。

圖2 表面波全息設(shè)計(jì)方法對(duì)1064nm紅外光波小孔衍射的波前整形演示。(a1)(b1)：設(shè)計(jì)的光場(chǎng)分布，分別為英文字母“L”和“O”。(a2)(b2)：制作的樣品，為銀薄膜上利用聚焦離子束刻蝕而形成的一系列復(fù)雜線條的凹槽結(jié)構(gòu)。 (a3)(b3)：數(shù)值模擬結(jié)果。(a4)(b4)：實(shí)驗(yàn)結(jié)果，與理論計(jì)算及設(shè)計(jì)圖案相符合。（來源：中科院）