该图描绘了由银制成的开放式谐振腔和侧壁，这是由美国国家标准与技术研究所（NIST）的科学家们制造的微型激光器。开放式谐振腔的超薄涂层（平坦的红色层）是放大层，在上方蓝绿光束的照射下诱导表面等离子激元激发（SPP）出射激光；少量的红色激光通过位于腔体底部正下方纳米级的凹槽泄漏，使得研究人员能够探测到由开放式谐振腔底部分子的存在而引起的小波长偏移。由美国国家标准与技术研究所（NIST）供图

美国国家标准与技术研究所（NIST）的科学家们开发了第一台微型激光器，谐振腔中的激光被引导的沿着开放凹槽的金属底板传播。该激光器可以作为纳米尺度装置来检测环境中的微量污染物和其他化学物质，或者在医疗诊断方面用于检测生物分子的表面结合。

NIST和马里兰大学的Wenqi Zhu ，以及NIST物理学家Henri Lezec和Amit Agrawal在最近一期的“科学进展（Science Advances）”中描述了他们的工作。这项工作是与中国的南京大学和密歇根大学合作完成的。

该新型激光器的发展依赖于光子与光子之间的相互作用以及沿金属表面浮动的电子群。电子群中的波纹与光子之间的相互作用产生一种特殊类型的光波，称为表面等离子激元（SPP），这种光波被紧密限制地仅沿金属表面行进。这种限制使SPP对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，该团队塑造出了金属银的小凹槽状开放式谐振腔，表面等离子激元可以在其中产生共振。开放式谐振腔具有一个平坦的表面，侧面是微小的镜状侧壁，表面波可以在其中来回反射。

通过细致的制造，谐振腔具有两个关键特性：它的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，其侧壁相对于开放式谐振腔的平面底板是垂直的。通过使用精确图案化的硅模板成型银使得这种设计成为可能，使SPP能够在空腔上来回跳动数百次，而不会有明显的能量损失，就像能够长时间保持纯音符的吉他弦。高品质因素或高Q值的特性对于构建激光器至关重要。与任何只使用SPP的可见光谐振腔相比，由该团队测量的Q值是迄今为止最高的。

高Q值还使开放式谐振腔能够作为针对SPP的非常有选择性的滤波器，只有那些在窄带内的波长才可以在开放式谐振腔中产生谐振。狭窄的范围是重要的，因为它使得谐振腔（甚至在其成为激光器一部分之前）成为针对环境微小变化的高灵敏度检测器——颗粒物质的存在或者在开腔的底板上镀一层薄膜。这样的变化使得将在谐振腔中振荡的中心波长发生偏移。

Lezec说：“通过实现窄带的谐振，中心波长的偏移是清晰的，开放式谐振腔可以作为一个非常敏感的探测器。”

在证明该谐振腔可以用作传感器之后，该团队努力把他们的设计应用在了激光器。他们通过在开腔中镀了一层超薄的涂层来放大穿过此结构的SPP强度。Lezec指出，这是第一个通过控制SPP在单一金属平面上的运动而构建的纳米级激光器。

模拟仿真表明SPP微型激光器在生物、化学和环保材料方面的探测比仅仅使用谐振腔更灵敏。激光器的设计也使得它能够更容易地集成到光路中，并且还可以开展量子等离子激元的新研究，光与物质纳米级相互作用的量子特性。

来源： https://phys.org/news/2017-10-plasmons-miniature-laser.html

本文受译者委托，享有该文的专有出版权，其他出版单位或网站如需转载，请与本站联系，联系email：mail@opticsjournal.net。否则，本站将保留进一步采取法律手段的权利。