多层石墨烯锥形结构增强太赫兹波纳米聚焦研究

武汉光电国家实验室设计了一种基于多层石墨烯(多个石墨烯单层由介质隔开)锥形结构来增强THz波的纳米聚焦,可以使波长为50微米的THz波电场强度增强约620倍,明显优于单层石墨烯锥的增强效果;此外,多层石墨烯锥对光场的限制能力也大大增强,在锥尖光场可以被压缩至入射波长的1/2800,比类似金属/介质结构至少提高了一个数量级。该研究成果对于实现高强度和纳米尺度的THz光源提出了一种新的实现方式,为THz波在非线性光学和纳米光学等领域的应用奠定了理论和实验基础。 随着太赫兹技术的发展,THz波已被广泛应用于光谱分析、探测成像以及光通信等领域。目前,如何获取高强度、微纳尺度的THz光源依然是科研领域一大难点。基于表面等离激元的纳米聚焦为解决这一难题提供了新的思路,利用贵金属纳米结构可以将光场压缩到亚波长尺度,从而实现光场增强。然而,传统的贵金属和介质材料对THz波损耗较大,光场限制不强,纳米聚焦效果并不理想。 武汉光电国家实验室超快光学研究团队陆培祥教授、“青年千人”王兵教授和博士生刘为为等人设计了一种基于多层石墨烯(多个石墨烯单层由介质隔开)锥形结构来增强THz波的纳米聚焦,每层石墨烯SPP之间的相互耦合使得THz光场能够被极大压缩并限制在纳米锥的尖端。研究结果表明,3层石墨烯锥可以使波长为50微米的THz波电场强度增强约620倍,明显优于单层石墨烯锥的增强效果,通过调节石墨烯化学势和入射THz波长,其电场强度可进一步增强达1800倍。此外,多层石墨烯锥对光场的限制能力也大大增强,在锥尖光场可以被压缩至入射波长的1/2800,比类似金属/介质结构至少提高了一个数量级。这一研究结果对于实现高强度和纳米尺度的THz光源提出了一种新的实现方式,为THz波在非线性光学和纳米光学等领域的应用奠定了理论和实验基础。

中国化工仪器网 行业动态】光的衍射极限限制了常规光学成像的分辨率和介质光子器件的尺寸,将对光的操控和利用制约在波长水平;而金属纳米结构的表面等离激元可以将光场束缚在纳米结构表面,使突破衍射极限的纳米尺度光操控成为可能。 金属纳米线不仅具有显著的局域电磁场增强效应,可以在纳米尺度上增强光与原子、分子、量子点、色心等纳米量子光源的相互作用,同时还支持传输的表面等离激元模式,可作为等离激元纳米波导实现亚波长束缚的光信号传输,是构建片上纳米光子回路的基本元件。 金属纳米线与单个纳米量子光源的耦合可以实现单个量子化的表面等离激元的产生和传输,对该体系的研究对深入认识单光子水平上光与物质相互作用的基本物理和设计纳米量子光子器件都具有重要意义。集成在金属纳米线上的多个纳米量子光源可以通过表面等离激元发生相互作用,产生新的光学现象,如协同辐射和量子纠缠。当纳米光源之间的距离达到亚波长尺度时,光学显微镜的分辨率限制了对金属纳米线上的多个纳米光源进行超分辨成像和超分辨可控激发,阻碍了相关实验的进展。 针对上述问题,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心纳米物理与器件实验室副研究员魏红及其合作者设计了一种利用金属纳米线上的表面等离激元干涉场作为激发源的超分辨激发和成像方法。由于表面等离激元干涉条纹的周期远小于激发光波长,这种方法具有突破衍射极限的光学分辨率。银纳米线上的传输表面等离激元与局域表面等离激元的干涉形成“之”字形分布的电场,反向传输的两束表面等离激元干涉形成周期性对称分布的电场。通过调控两束激发光之间的相位差,上述两种等离激元干涉场的分布都沿着纳米线移动,使纳米线上的量子点处的电场强度发生变化,从而可以调控量子点的激发。 利用该方法可以实现对相距几十纳米的两个量子点的选择性激发,实验中通过对相距100nm的两个量子点的选择性激发演示了该技术的可行性。研究人员将结构照明显微成像技术与金属纳米线上的表面等离激元干涉场相结合,利用模拟计算实现了对多个量子点的超分辨光学成像,分辨率约为96nm。该工作为研究和表征等离激元纳米波导与多个纳米量子光源耦合体系的光学特性提供了一种实验方法,对深入认识纳米尺度上表面等离激元增强的光与物质相互作用的机理和规律、设计基于表面等离激元的纳米/量子光子器件和回路等具有重要意义。 相关研究成果发表在Nano Letters上。该研究得到了中科院、国家自然科学基金委和科技部的资助。 论文链接图片 1

光的衍射极限限制了常规光学成像的分辨率和介质光子器件的尺寸,将对光的操控和利用制约在波长水平;而金属纳米结构的表面等离激元可以将光场束缚在纳米结构表面,使突破衍射极限的纳米尺度光操控成为可能。 金属纳米线不仅具有显著的局域电磁场增强效应,可以在纳米尺度上增强光与原子、分子、量子点、色心等纳米量子光源的相互作用,同时还支持传输的表面等离激元模式,可作为等离激元纳米波导实现亚波长束缚的光信号传输,是构建片上纳米光子回路的基本元件。 金属纳米线与单个纳米量子光源的耦合可以实现单个量子化的表面等离激元的产生和传输,对该体系的研究对深入认识单光子水平上光与物质相互作用的基本物理和设计纳米量子光子器件都具有重要意义。集成在金属纳米线上的多个纳米量子光源可以通过表面等离激元发生相互作用,产生新的光学现象,如协同辐射和量子纠缠。当纳米光源之间的距离达到亚波长尺度时,光学显微镜的分辨率限制了对金属纳米线上的多个纳米光源进行超分辨成像和超分辨可控激发,阻碍了相关实验的进展。 针对上述问题,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心纳米物理与器件实验室副研究员魏红及其合作者设计了一种利用金属纳米线上的表面等离激元干涉场作为激发源的超分辨激发和成像方法。由于表面等离激元干涉条纹的周期远小于激发光波长,这种方法具有突破衍射极限的光学分辨率。银纳米线上的传输表面等离激元与局域表面等离激元的干涉形成“之”字形分布的电场,反向传输的两束表面等离激元干涉形成周期性对称分布的电场。通过调控两束激发光之间的相位差,上述两种等离激元干涉场的分布都沿着纳米线移动,使纳米线上的量子点处的电场强度发生变化,从而可以调控量子点的激发。 利用该方法可以实现对相距几十纳米的两个量子点的选择性激发,实验中通过对相距100nm的两个量子点的选择性激发演示了该技术的可行性。研究人员将结构照明显微成像技术与金属纳米线上的表面等离激元干涉场相结合,利用模拟计算实现了对多个量子点的超分辨光学成像,分辨率约为96nm。该工作为研究和表征等离激元纳米波导与多个纳米量子光源耦合体系的光学特性提供了一种实验方法,对深入认识纳米尺度上表面等离激元增强的光与物质相互作用的机理和规律、设计基于表面等离激元的纳米/量子光子器件和回路等具有重要意义。 相关研究成果发表在Nano Letters上。该研究得到了中科院、国家自然科学基金委和科技部的资助。 论文链接图片 2

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