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现代光学仪器国家重点实验室2016年简报第一期

来源:moi-skl    发布时间:2019-07-10 19:22:23
科研进展

单个金纳米棒中的超窄线宽表面等离激元共振

        由于电子集群振荡与晶格相互作用引起的高损耗,金属纳米颗粒中的局域表面等离激元共振(LSPR)寿命一般只有10fs量级,对应共振带宽超过50nm,不利于纳米激光、传感等应用。利用光场与LSPR的强耦合引起的能量劈裂,可以增加LSPR寿命,压缩带宽,但是由于缺乏小体积、高品质、高效“光子-LSPR”转换的光学微腔,此前国内外报道的强耦合LSPR带宽仍然较宽,而且无法单模工作。最近,童利民教授研究组通过将单个金纳米棒的LSPR模与微纳光纤回音壁模耦合并诱导局域光场的重新分布,实现了线宽低至2nm的单模LSPR工作,对应LSPR寿命大于200fs,是目前报道的最窄线宽单模LSPR,在超小纳米激光、超灵敏纳米光学传感、光量子信息技术等方面具有潜在的应用前景。

        研究结果发表在2015年11月出版的《Nano Letters》期刊【Wang, P. et al. Single-Band 2-nm-Line-Width Plasmon Resonance in a Strongly Coupled Au Nanorod. Nano Lett. 15, 7581–7586 (2015). DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b03330】。合作单位为北京大学人工微结构与介观物理国家重点实验室。

图1  线宽2纳米的局域表面等离激元共振


科研进展

中波红外超快激光光源

       高功率中长波红外激光器一直是激光光学领域一大研究热点。最近沈永行教授研究组在中波红外超快激光光源方面取得新进展。该工作探索了一种利用光学参量放大(OPA)的新型中红外超快光源产生方法,利用自行研制的掺镱光纤飞秒激光器泵浦周期性畴极化反转铌酸锂晶体,使种子源的ASE光源获得参量放大,在1.6µm波段获得了平均功率3W、重复频率82MHz、脉冲宽度200fs的超快近红外输出,同时在3.3µm波段获得了平均功率600mW、光谱带宽300nm的超快中红外激光输出。相比于传统的同步泵浦光参量振荡器或者光参量啁啾脉冲放大器,该系统因为不采用振荡腔结构,因此具有结构稳定和环境适应性好的优点,同时保留高峰值功率、高重频,窄脉宽的特点,可为非线性光谱技术、环境监测、激光雷达及遥感、光电对抗等领域提供一种新的解决方案。

        研究成果已正式发表于2015年12月出版的的《Optics Letters》期刊【Hu, C. et al. Broadband high-power mid-IR femtosecond pulse generation from an ytterbium-doped fiber laser pumped optical parametric amplifier. Opt. Lett. 40, 5774-5777 (2015). DOI: 10.1364/OL.40.005774】。


图2  利用fs激光器泵浦PPMgLN实现超短脉冲中波红外激光输出



图3  不同泵浦功率下的参量激光输出功率及其光谱图


科研进展

银纳米线中多阶等离子泄漏模的鉴定和探测

        具有单晶金属结构的银纳米线,由于其规律的晶格排布,呈原子量级的表面光滑度,相对于多晶金属纳米线的表面质量,在研究金属表面等离激元特性时,具有显著优势。近年来对于单晶纳米线表面等离激元特性研究,主要集中在其导波特性,很少涉及其辐射特性。

        在金属纳米线中的泄漏模,结合了等离子激元和泄漏辐射两者的物理特性,是研究其导波特性和辐射特性的利器。作为辐射模的多泄漏模在增加数据传输通道、提高传感器性能、调控偏振和转换模式等先进的应用中起到关键的作用。近期, 仇旻教授和李强副教授研究组的博士研究生杨航波首次用实验证实了对在五边形截面的银纳米线中的多泄漏模的控制。观察到的三个泄漏模光场主要分布于银纳米线与空气交界的三个顶角上。通过远场实像成像和泄漏辐射成像两者的结合,这三个泄漏模可以明显地被区分和鉴定。通过操控和选择激发光的波长和纳米线的直径,被激发泄漏模的数量、折射率和传播长度可以被控制。这些发现揭示了在银纳米线中泄漏模的物理特性,因此为银纳米线中的高阶泄漏模的应用,如集成光子学电路、量子点与纳米线间的耦合、纳米尺度的光场限域和等离子激元传感等,提供了新的思路和解决方案。

        研究结果发表在2016年3月出版的的《Laser & Photonics Reviews》期刊,并被选为封面文章【Yang H. et al. Identification and control of multiple leaky plasmon modes in silver nanowires. Laser & Photonics Reviews 10, 278–286 (2016). DOI: 10.1002/lpor.201500192】。研究工作得到国家自然科学基金以及浙江大学现代光学仪器国家重点实验室等资助。



图4  银纳米线中双泄漏模的实像、傅里叶像及仿真图


科研进展

Ag-SiOx-Ag结构型角度不敏感滤光片

        最近沈伟东副教授研究组研制了Ag-SiOx-Ag型角度不敏感滤光片。该滤光片利用金属介质表面激发的准束缚色散模式实现了对入射光的角度不敏感滤波,当入射角度由0°变化至60°时,透射峰的位置偏移控制在了30nm以内,峰值透过率维持在了30%以上,主要创新点在于通过调控材料的折射率等特性实现了全可见光波段的角度不敏感滤光。该滤光片具有结构相对简单、制备工艺成熟、性能稳定、可大面积应用等优点,在装饰、成像、探测、绿色印刷等有着巨大的潜在价值。

        研究成果发表在2016年1月出版的《Scientific Reports》期刊【Mao, K. et al. Angle Insensitive Color Filters in Transmission Covering the Visible Region. Scientific Reports 6, 19289 (2016). DOI: 10.1002/lpor.201500192】。

图5  3种滤光片随入射角变化的透射光谱


图6  滤光片的样品图


科研进展

基于石墨烯纳米透明电极的可调谐微腔器件

        可调谐/可切换光子集成器件是各种可重构模块/系统的核心器件。利用热光效应是实现可调控集成光子器件最为简便的有效途径之一,通常采用金属电极加热的方式。此时,为了避免金属吸收及模式畸变,往往需要在波导芯区与金属电极之间引入足够厚的隔离层,因而在加热效率、瞬态响应以及温度范围等方面受到制约。为了克服这一问题,最近戴道锌教授课题组提出并实现了一种基于石墨烯透明纳米加热电极的硅光波导微腔器件。与传统金属加热电极不同的是,石墨烯透明纳米加热电极可直接与波导芯层接触,无需引入SiO2隔离层,在加热效率、瞬态响应以及温度范围等方面均可获得更佳效果。此外,石墨烯的单原子层特性使之具有优异的柔韧性,在应用于超小型微腔时更为便利。该论文的研究结果,对于石墨烯透明加热电极在硅基光子集成器件及其热光调控方面应用研究具有重要意义。相关文章发表于2016年2月出版的《Optica》期刊【Yu, L. et al. Thermally tunable silicon photonic microdisk resonator with transparent graphene nanoheaters. Optica 3, 159 (2016). DOI: 10.1364/OPTICA.3.000159】。


图7  基于石墨烯透明纳米加热电极的硅纳米光波导微腔图片。



图8  硅纳米光波导微腔的热光调控效果。当石墨烯透明纳米加热电极的加热功率从0mW增加到10.5mW时,微腔的光谱实现~5nm的红移。


访问交流


  • 2016年1月8日,比利时根特大学王喆超博士作了题为“Silicon on-chip laser sources: from fundamental research to real-world applications”的学术报告;

  • 2016年3月8日,中科院西安光机所杰青刘雪明教授作了题为“光纤孤子激光的研究进展”的学术报告;

  •  2015年3月15日,德国慕尼黑工业大学Sibylle Ziegler教授作了题为“High resolution detectors for PET and PET/MR”的学术报告;

  •  2015年3月17日,中国科学技术大学物理学院孙方稳教授作了题为“Super-resolution nanoscopy with nitrogen vacancy center in diamond”的学术报告;

  • 2015年3月29日,英国贝尔法斯特女王大学数学物理学院黄福敏博士作了题为“Extreme concentration of light for nanoscale sensing and superresolution optical imaging”的学术报告;

  • 2016年2月13日--26日,何赛灵教授前往美国旧金山参加了SPIE  Photonics West会议,会后到瑞典皇家工学院访问交流。

  • 2016年3月19日-24日,戴道锌教授应邀赴美国加州Anaheim参加光通信领域顶级会议OFC 2016,作了关于“Multi-channel wavelength/mode-division-multiplexers on silicon”的特邀报告、以及“Ultra-broadband low-loss 2×2 MZI (Mach-Zehnder interferometer)-based thermo-optic switch with bent directional couplers on silicon”的口头报告;并参加了期间举行的IEEE PTL (IEEE Photonics Technology Letters) Editorial Meeting。