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化学所在亚波长尺度光子学调控研究中取得系列

发布时间:2019-07-14 04:36编辑:化学科学浏览(165)

    受光学衍射极限的束缚,基于介质材料的光子学器件的尺寸都在几百纳米以上,制约了微型化光子器件集成密度的进一步提高,急需发展尺度在衍射极限以下的光学器件来进行光信息的传输与处理。表面等离子极化激元(Surface Plasmon Polariton, SPP)是一种存在于金属表面的特殊电磁场形式,可将光限域在衍射极限以下传播,其在偏振状态、模式体积、色散特性等方面具有一系列独特的物理性质,有利于实现亚波长尺度下的器件集成。然而,全金属的器件传输损耗大且只能作为被动光学元件,限制了其在功能器件方面的适用范围。有机材料具有丰富的光化学与光物理性质,在光学增益、可控加工等方面表现出了独特的优势,将有机材料的激子与金属材料的表面等离子有效结合,可以同时解决衍射极限的问题与SPP的传输损耗问题。

    受光学衍射极限的束缚,基于介质材料的光子学器件的尺寸均在几百纳米以上,制约了微型化光子器件集成密度的进一步提高,急需发展尺度在衍射极限以下的光学器件来进行光信息的传输与处理。表面等离子极化激元(Surface Plasmon Polariton, SPP)是存在于金属表面的特殊电磁场形式,可将光限域在衍射极限以下传播,其在偏振状态、模式体积、色散特性等方面具有独特的物理性质,有利于实现亚波长尺度下的器件集成。然而,全金属的器件传输损耗大且只能作为被动光学元件,限制了其在功能器件方面的适用范围。有机材料具有丰富的光化学与光物理性质,在光学增益、可控加工等方面表现出独特的优势,将有机材料的激子与金属材料的表面等离子有效结合,可以同时解决衍射极限的问题与SPP的传输损耗问题。

    在国家自然科学基金委、科技部和中国科学院的大力支持下,中国科学院光化学重点实验室的科研人员多年来一直致力于亚波长尺度下光子学信号调控方面的研究,在有机金属纳米复合材料的可控制备,以及具有特定功能的亚波长光学器件设计等方面开展了系统的研究工作(Adv. Mater.**2012, 24, 5681-5686;Adv. Mater.2013, 25, 2784-2788; Small2015, 11, 3728-3743; Adv. Mater.2016*, 28*, 1319-1326)。

    中国科学院化学研究所光化学重点实验室赵永生课题组致力于亚波长尺度下光子学信号调控方面的研究,在有机金属纳米复合材料的可控制备,以及具有特定功能的亚波长光学器件设计等方面开展了系统的研究工作。在近期研究中,研究人员设计了一种有机无机杂化钙钛矿/银纳米线复合结构,利用光与SPP的耦合实现了激光模式的亚波长输出。用液相生长的方法将银纳米线包埋在单晶钙钛矿微米结构中。复合结构的包埋部分使钙钛矿内的激光模式能有效的在银纳米线上激发生成SPPs并在端点以光子的形式输出,耦合输出的SPPs模式与钙钛矿腔体内生的激光模式具有相同性质,如模式能量、偏振属性。改变泵浦方式可实现钙钛矿腔体和SPP输出的激光模式的调控。在此基础上,通过在有机单晶体系中精确调控激子与表面等离子的相对取向,阐明了激子与SPP之间的耦合过程。相关研究成果发表J. Am. Chem. Soc.、ACS Nano上。

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    为解决亚波长相干光源的波长调制问题,研究人员设计了一种有机微盘/银纳米线复合结构。采用毛细作用力辅助的液相组装方法,将银纳米线嵌入在有机微盘的边缘,掺杂激光染料的微盘在光学泵浦下作为高质量的回音壁模式激光器,而嵌入的银线可通过SPP将激光信号在亚波长尺度下进行传输。利用聚合物微盘优异的材料兼容性,将具有不同光学增益范围的染料添加到微盘中,实现了可波长覆盖整个可见范围的微型激光。这种复合结构结合了有机激光材料和银纳米线的优势,为纳米光子学功能器件的研究提供了新的研究思路。相关研究成果发表在J. Am. Chem. Soc.上。

    图1基于钙钛矿/金属纳米异质结的激光耦合输出

    研究表明,有机材料优异的柔性和可加工特点,可为介质/金属复合体系的构筑,提供更有效且可控的途径。更重要的是,有机材料丰富的激发态过程,为深入研究光与物质的相互作用提供了更有力的手段。同时,相关研究对设计和开发亚波长尺度下的新型光子学器件具有重要的指导意义。

    在近期的研究中,研究人员设计了一种有机无机杂化钙钛矿/银纳米线复合结构,利用光与SPP的耦合成功实现了激光模式的亚波长输出。用液相生长的方法将银纳米线包埋在单晶钙钛矿微米结构中。复合结构的包埋部分使钙钛矿内的激光模式能有效的在银纳米线上激发生成SPPs并在端点以光子的形式输出。耦合输出的SPPs模式与钙钛矿腔体内生的激光模式具有相同性质,如模式能量,偏振属性。同时改变泵浦方式可实现钙钛矿腔体和SPP输出的激光模式的调控。在此基础上通过在有机单晶体系中精确调控激子与表面等离子的相对取向,阐明了激子与SPP之间的耦合过程。相关研究成果发表于J. Am. Chem. Soc.**2016, 138, 2122-2125;ACS Nano2017**, DOI: 10.1021/acsnano.7b04584。

    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的支持。

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    图2有机柔性激光的全色亚波长输出

    图1.基于钙钛矿/金属纳米异质结的激光耦合输出

    进一步,为了解决亚波长相干光源的波长调制问题,研究人员设计了一种有机微盘/银纳米线复合结构。采用毛细作用力辅助的液相组装方法将银纳米线嵌入在有机微盘的边缘,掺杂激光染料的微盘在光学泵浦下作为高质量的回音壁模式激光器,而嵌入的银线可通过SPP将激光信号在亚波长尺度下进行传输。利用聚合物微盘优异的材料兼容性,将具有不同光学增益范围的染料添加到微盘中,实现了可波长覆盖整个可见范围的微型激光。这种复合结构结合了有机激光材料和银纳米线的优势,对纳米光子学功能器件的研究提供了一种新的研究思路。相关研究成果发表于J. Am. Chem. Soc.**2017*, 139*, 11329-11332。

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    相关结果表明,有机材料优异的柔性和可加工特点可为介质/金属复合体系的构筑提供更加有效且可控的途径。更重要的是,有机材料丰富的激发态过程,为深入研究光与物质的相互作用提供了更加有力的手段。相关研究对设计和开发亚波长尺度下的新型光子学器件具有重要的指导意义。

    图2.有机柔性激光的全色亚波长输出

    光化学院重点实验室

    2017年10月25日

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