前沿进展 | 基于单个金纳米棒的单模激光输出

“前沿进展”栏目，旨在介绍科研人员在光学领域发表的具有重要学术、应用价值的论文，促进研究成果的传播。部分论文将推荐参与“中国光学十大进展”评选。

01 导读

近日，浙江大学光电科学与工程学院王攀与童利民教授团队，基于单个金纳米棒与染料掺杂聚合物微光纤形成的模式强耦合结构，在室温下实现了基于单个金纳米棒（尺寸<100 nm）的单模激光输出。该研究为实现基于单个金属纳米颗粒的具有极端光场约束能力的激光器提供了一种可行方案，有望在极端光场局域与调控、高灵敏光学传感等领域得到应用。研究成果以“Strong mode coupling-enabled hybrid photon-plasmon laser with a microfiber-coupled nanorod”为题于2022年7月9日发表在Science Advances上。2022 | 前沿进展

02 研究背景

随着超分辨光学成像、生化传感、片上光互连等领域的快速发展，人们对具有突破衍射极限能力的相干光源的需求不断增加。表面等离激元纳米激光器利用金属纳米结构中支持的表面等离激元模式来实现光场的约束和反馈，其激光腔模特征尺寸可以远超衍射极限且调制速度可达太赫兹量级，是一种新兴的纳米尺度相干光源。

通过将增益材料置于低维等离激元结构（如金属薄膜、纳米线和纳米颗粒等）的光学近场区域，人们已经实现了多种形式的等离激元纳米激光器。其中，尤其吸引人的是具有极端光场约束能力的基于单个金属纳米颗粒的激光器。

然而，迄今为止，几乎所有基于金属纳米颗粒的激光信号都是在纳米颗粒集群或阵列结构中观察到的，基于单个金属纳米颗粒的激射仍没有令人信服的直接证据。其实现难点在于伴随局域表面等离激元共振（LSPR）超强光场约束能力而产生的高欧姆损耗，置于金属纳米颗粒近场区域增益材料难以有效补偿损耗。同时，高激发功率密度容易引起结构的损坏。

03 研究创新点

该研究团队基于前期利用金属纳米颗粒LSPR模式与氧化硅微光纤回音壁腔模间强耦合实现对纳米颗粒LSPR模式线宽压缩调控（低至2 nm）的研究工作[Nano Lett. 15, 7581 (2015)]，进一步提出将单个金纳米棒和染料掺杂聚合物微光纤强耦合形成等离激元纳米激光器新结构（图1）。

图1 基于金纳米棒-染料掺杂聚合物微光纤强耦合结构的纳米激光器示意图

得益于模式强耦合而显著增强的光子-等离激元复合模式光学相干性和微光纤回音壁腔中累积的有效增益，在室温下实现了基于单个金纳米棒的单模激光输出，其激射阈值低至2.71 MW/cm²，线宽小于2 nm。

实验上，首先利用含金纳米棒液滴与染料（Rhodamine 101）掺杂聚合物微光纤（直径约2.5 μm）接触的方式在微光纤侧壁沉积单个金纳米棒，然后通过金纳米棒暗场散射信号的偏振特性，选择长轴垂直于微光纤长度方向的单个金纳米棒用于激光器结构。在532 nm波长纳秒激光脉冲激发下（图2A），在金纳米棒上可得到激光散射输出（图2B），其激光阈值、光子二阶相干度等实验测量结果均符合激光特性（图2C和2D）。

图2 （A）实验装置示意图。（B）基于金纳米棒-微光纤强耦合结构的纳米激光器激射时的光学显微镜照片。（C,D）该纳米激光器在不同泵浦功率下的发光光谱及阈值和线宽特性曲线。（E,F）该染料掺杂聚合物微光纤上没有金纳米棒处测得的不同泵浦功率下发光光谱和线宽特性曲线

在微光纤上没有金纳米棒的位置，随着泵浦功率的不断增大，由于染料增益难以补偿微光纤回音壁腔中显著的弯曲损耗，在染料光漂白前只观察到放大的自发辐射（图2E和2F），进一步验证了激射信号只来源于微光纤耦合的金纳米棒。另外，通过改变微光纤的直径、金纳米棒的长径比可进一步实现对激射波长的调节，微光纤的直径最小可低至2 μm（回音壁腔弯曲损耗限制）。

04 总结和展望

该研究基于单个金纳米棒表面等离激元与染料掺杂微光纤回音壁腔模式强耦合结构，在室温下实现了基于单个金纳米棒的单模激光输出。该微光纤耦合的纳米棒激光器未来可用于极端光场局域与调控、高灵敏光学传感、超分辨光学成像等领域。

论文共同第一作者为博士后周宁、博士生杨宇鑫和副教授郭欣，共同通讯作者为王攀研究员和童利民教授，合作者包括博士生龚珏等。该工作得到了国家自然科学基金、科技部重点研发计划、浙江省自然科学基金和中央高校基本科研业务费专项资金等支持。

论文链接：

https://www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.abn2026

文本来源：课题组供稿

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编辑 | 方紫璇

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