电子显微镜下等离子激光器的图像。在两个微米尺寸的银块之间，一层量子点（红色）为表面等离子激元提供了放大。由苏黎世联邦理工学院David Norris教授供图

苏黎世联邦理工学院的研究人员已经开发出一种微型装置，该装置能够产生一种类似激光的特殊电磁波，称为表面等离子激元。表面等离子激元可以比普通光波更紧密地聚焦，使得它们在传感器方面有很好的应用价值。

当光波被限制在两个部分反射镜之间，并且通过它们之间的某些材料进行放大时，所得到的光束具有高亮度和单一颜色的特性，这是激光的工作原理。从DVD播放机到手术室，现代生活的许多领域中都在使用激光作为工具。

由苏黎世联邦理工学院光学材料工程实验室David Norris教授和新兴技术热力学实验室Dimos Poulikakos教授领导的研究人员研制出一种将相同原理应用于所谓表面等离子激元的微型装置。由这样的表面等离子激元激光器或“等离激子激光器”产生的电磁波可以比普通光波更紧密地聚焦，这使得它们在基础科学研究和传感技术应用方面很有研究价值。

表面等离子激元的微型谐振腔

与在透明材料内自由传播的普通光波相反，表面等离子激元是由紧紧束缚在金属表面上的电子产生的电磁波组成的。例如，在中世纪大教堂的彩色玻璃窗中，可以欣赏到表面等离子激元的光学效果。在那里，入射光通过在玻璃内的金属纳米粒子上产生的等离子激元使得窗户具有独特和鲜艳的色彩。

苏黎世联邦理工学院的研究团队为表面等离子激元创建了一个等效的激光谐振腔，该激光谐振腔是由通过现代工艺制作的极其光滑的银色表面构成，在其上面放置了两个略微弯曲的银块，长度为几微米，高度仅为半个微米。这些微块等效于激光器中的反射镜。表面等离子激元可以在微块之间往返许多次。最后所获得的等离子激光束是通过放置在开腔内的量子点来实现放大的。量子点是与单个原子（它们有时被称为“人造原子”）相类似的微小半导体粒子，并且可以实现对期望频率的电磁波进行放大。

研究人员将量子点溶解在液体中，然后使用Poulikakos实验室开发的技术，通过微小的喷嘴在纳米精度上将其印刷到银表面上，利用此方法将量子点注入到等离子激元谐振腔。一旦谐振腔和量子点就位，表面等离子激元就可以通过将激光照射到量子点上而注入激光器。

未来进一步放大的可能性

最近在科学杂志“科学进展”（Science Advances）上发表研究报告的作者——Norris集团的博士后研究员Jian Cui解释说：“我们的工作中试图将等离子激光器的基本元件整合成一个小的装置。”除了激光谐振腔和增益材料之外，研究人员的研究中还包括一个放大器，使用量子点进一步提高离开谐振腔的表面等离子束的亮度。

放大器具有三角形形状，使得等离子激元不仅被放大，而且聚焦在纳米尺寸的尖端上。在那里，电磁波被集中在比普通光可聚焦的最小尺寸小得多的体积中。 这个特征在未来是非常有用的，例如用于生物分子的高灵敏度检测。

等离子激光器朝集成光路方向发展

现在，研究人员已经发表了他们微型等离子激光器的工作，苏黎世联邦理工学院的研究人员已经着手下一步。Norris教授说：“我们的制造方法具有良好的可重现性和通用性，所以我们现在可以考虑创建具有多个元素的集成光路：等离子激光器、放大器和感应区域等等。”

与以前在实现等离子激光器的技术相比，该新方法具有许多优点。早期的技术使用金属颗粒作为谐振腔，不允许提取激光束。在苏黎世联邦理工学院开发的过程中使用具有集成反射镜的平面薄膜，这使得研究人员可以更自由地选择谐振腔的尺寸和几何形状，同时还允许它们直接研究表面等离子激元。

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

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