【成果概述】
近日，永利集团88304官网王攀与童利民教授团队，利用单个金纳米棒与染料掺杂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激光器提供了一种新的可行方案，有望在高灵敏光学传感和片上光互连等领域得到应用。
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杂志。
【背景介绍】
随着超分辨光学成像、生化传感、光存储和片上光互连等领域的快速发展，人们对能够在一个或多个空间维度突破衍射极限的相干光源的需求日益增加。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实现光约束和反馈，其激光腔模特征尺寸远超衍射极限，调制速度可达太赫兹量级，是一种新兴的相干光源。通过将增益材料置于各种低维等离激元纳米结构（如金属薄膜、纳米线和纳米颗粒）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，这也是纳米激光器研究领域的终极目标之一。然而，迄今为止，几乎所有基于金属纳米颗粒的激光器都是在纳米颗粒集群或纳米颗粒阵列结构中实现的，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表面等离激元超强光场约束能力而产生的高欧姆损耗，这对置于金属纳米颗粒近场区域的增益材料提出了极高的要求，同时高泵浦功率密度也容易引起结构的破坏。
【文章亮点】
永利集团88304官网研究团队在前期利用金属纳米颗粒局域表面等离激元共振模式与微光纤回音壁腔模间强耦合实现对纳米颗粒局域表面等离激元模式线宽压缩调控（低至2 nm）研究工作【Nano Lett. 15, 7581 (2015)】的基础上，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），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，激射阈值低至2.71 MW/cm2，线宽小于2 nm。
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。
实验上，团队首先利用包含金纳米棒的液滴（浓度约为1 pM）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作研究。在532 nm波长纳秒激光脉冲激发下（图2A），在金纳米棒处可得到激光输出（图2B），其输出偏振、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）；而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，在染料光漂白前只观察到放大的自发辐射（图2E和2F）。通过改变微光纤的直径、金纳米棒的长径比可调节激射波长，微光纤的直径最小可低至2 μm。
图2 基于金纳米棒-微光纤强耦合结构的纳米激光器激射特性。
【总结展望】
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高灵敏光学传感、超分辨光学成像和光互联等领域。
【论文/作者信息】
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/10.1126/sciadv.abn2026
【作者简介】
王攀，永利集团88304官网百人计划研究员，博士生导师，近年来在包括Nature Nanotechnology、Nature Communications、Science Advances、Nano Letters等国际知名期刊发表论文50余篇，担任中国激光杂志社、《激光与光电子学进展》青年编委。课题组基于极端光场局域表面等离激元结构（超薄金属间隙、超薄金属膜）及其与微纳光纤等形成的复合结构，聚焦微纳尺度光与物质相互作用产生的新现象和新效应，发展新型超小尺寸、超快响应、超低功耗的微纳光电子器件，包括微纳光源、高灵敏光学传感器、超快调制器等。
个人主页：https://person.zju.edu.cn/wangpan
童利民，永利集团88304官网教授，主要研究方向为微纳光子学理论基础、功能结构及器件应用。国家杰出青年科学基金获得者，教育部长江特聘教授，国家“万人计划”科技创新领军人才，美国光学学会会士。在微纳光纤等低维导波结构、纳米激光器、全光调制器及片上集成光子器件等方面取得重要进展，出版学术专著（编著）2本，发表学术论文200余篇。
个人主页：https://person.zju.edu.cn/0097096
研究组主页：http://www.nanophotonics.zju.edu.cn/
