納米腔模式與光學垂直腔模式共存
傳統的光子學器件由于衍射極限的限制無法達到亞波長量級，利用表面等離激元可以獲得突破衍射極限的光的操控，實現亞波長光子學器件和集成。對表面等離激元納米共振腔中場局域和色散調控的研究，不但可以揭示光與金屬納米結構相互作用機理，同時為納米尺度的全光調制器、濾波器和納米激光器等提供新原理和新方法。
最近，俞大鵬教授和張家森教授繼續合作，由博士生朱新利等提出了利用反射鏡的高度調控開放圓柱形表面等離激元納米腔中色散和場局域的方法，對研究納米光子學器件及光與物質的相互作用等方面有着重要的意義。他們對一系列頂部具有開放窗口的圓柱形納米腔中表面等離激元的模式和共振進行了研究，發現通過改變作為反射器的納米腔壁的高度可以對共振波長進行有效的調控。數值模拟表明，納米腔高度較小時，電磁場從腔中溢出，減弱了腔對電磁場的局域作用，導緻共振波長藍移；而納米腔的高度較大時，電磁場完全被局域于腔中，可以獲得大的品質因子。實驗中獲得的最大的品質因子為73，最大的Purcell因子為71。他們在研究中還發現，對于較高的納米腔可以形成光學垂直腔模式，這種光學垂直腔和表面等離激元納米腔模式的共存可以進一步調控腔的共振特性，甚至獲得Fano共振。這些結果将在研究熒光粒子與局域電磁場的相互作用及納米激光器等方面有着重要的應用。該論文于7月13日發表在《ACS Nano》 (http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nn201916n) 的網絡版上。ACS NANO現在的影響因子為9.855.
該研究工作得到了國家自然科學基金委、科技部973計劃以及介觀物理國家重點實驗室自主科研項目等的大力資助。
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Figure: Spontaneous excitation of plasmonic resonant modes and
vertical cavity resonant modes in Ag nanocavity via CL spectroscopy
analysis. (a-e) CL spectra of nanocavities with 80, 150, 250,430,
and 550 nm heights, respectively. The numbers on the right side of
the figures indicate the diameters of the cavities in nm. The
spectra were obtained when the electron beam was incident near the
centers of the cavities. The plasmonic modes are classified and
indicated with blue dotted lines and characters, respectively.
Spectra are offset vertically for clarity. (f) Typical monochromatic
CL image at a resonant wavelength of 698 nm for a cavity with a 490
nm diameter. (g-i) Typical monochromatic CL images at resonant
wavelengths of 681, 528, and 501nmfor a cavity with a 765nmdiameter,
respectively. The red dashed circles show the boundaries of the
cavities. Scale bars are 500 nm. (j-m) Calculated intensity patterns
of the out-of-plane electric components for the plasmonic modes (0,
1), (1, 1), (2, 1), and (0, 2), respectively. (n, o) Dispersions of
plasmonic modes (0, 1) and (1, 1) in the nanocavities. The gray and
black lines respectively represent the dispersions of light in
vacuum and SPPs on an infinite Ag film.
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