表面等離激元（surface plasmon）是金屬中自由電子的一種元激發(fā)，用來描述電子在外場(chǎng)激勵(lì)下振蕩的集體運(yùn)動(dòng)行為。由于基于表面等離激元的器件具有能夠突破衍射極限、實(shí)現(xiàn)局域場(chǎng)增強(qiáng)和對(duì)介電環(huán)境敏感等性質(zhì)，表面等離激元研究日益受到廣泛重視并得到快速發(fā)展。近年來，中科院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（籌）邱祥岡研究員領(lǐng)導(dǎo)的課題組在該領(lǐng)域取得了若干重要進(jìn)展。

    1、硅基外延銀薄膜上的表面等離激元

    影響基于表面等離激元的光學(xué)元器件實(shí)際應(yīng)用的一個(gè)重要因素是其傳播耗散。此前工作表明在可見光波段，金屬薄膜表面的起伏對(duì)表面等離激元會(huì)造成極大散射，從而影響傳播效率。隨之而來的一個(gè)問題是，對(duì)于波長(zhǎng)更長(zhǎng)的紅外波段，金屬表面的粗糙度是否仍然是造成表面等離激元阻尼的重要機(jī)制。

    為此，邱祥岡研究員和博士生李博宏、程飛與美國(guó)Texas大學(xué)Austin分校的施至剛教授以及Gennady Shvets教授合作，利用在大片硅基外延單晶銀薄膜上制備的亞波長(zhǎng)周期性孔陣列，通過角度依賴的反常光透射（extraordinary optical transmission）測(cè)量研究了這一問題。反常光透射是由于入射光在亞波長(zhǎng)孔陣列上激發(fā)出了表面等離激元，輔助了電磁波從亞波長(zhǎng)孔中的透過，從而導(dǎo)致透射率在某些特定波長(zhǎng)處會(huì)出現(xiàn)增強(qiáng)。因此，通過分析反常光透射譜上透射峰的線型，就可以得到表面等離激元共振強(qiáng)弱的信息。用于測(cè)量的樣品分別為生長(zhǎng)于硅基片上的外延銀薄膜和多晶銀薄膜，膜厚為80納米，并利用微加工手段在薄膜上制作出相同的二維亞波長(zhǎng)圓孔方陣，周期為6微米，孔徑為3微米。

    比較發(fā)現(xiàn)，對(duì)于硅/銀界面，兩種薄膜上的表面等離激元的共振行為并沒有顯著的差別（圖1d1,d2,f1,f2），因?yàn)閷?duì)于這兩種薄膜來說，其硅/銀界面都非常平整；但是，對(duì)于空氣/銀界面，外延銀薄膜上的表面等離激元表現(xiàn)出了更明顯的共振行為（圖1c2,e2），而多晶銀薄膜上表面等離激元的共振特征相當(dāng)之弱（圖1c1,e1），這源于這兩種薄膜的硅/銀界面具有迥異的粗糙度。

    利用有限元方法模擬的結(jié)果與外延銀薄膜的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻合，而外延銀薄膜表面質(zhì)量下降后的共振行為變得與多晶銀薄膜類似，進(jìn)一步驗(yàn)證了上述論斷。另外，通過在空氣/金屬界面插入損耗層，模擬結(jié)果成功地重現(xiàn)了透射譜從外延金屬薄膜的明顯的共振行為到多晶薄膜的弱化的共振行為的轉(zhuǎn)變（圖2）。此結(jié)果表明在比可見光波長(zhǎng)更長(zhǎng)的紅外波段，金屬薄膜表面的粗糙度仍然是引起表面等離激元阻尼的重要機(jī)制。相關(guān)工作發(fā)表在Nano Letters, 12(12):6187–6191, 2012上。

    此外，他們還與臺(tái)灣“國(guó)立清華大學(xué)”的果尚志教授等人領(lǐng)導(dǎo)的研究小組合作，以硅基單晶銀薄膜為基礎(chǔ)，與InGaN@GaN核-殼結(jié)構(gòu)的納米線集成，研制出了目前世界上最小的半導(dǎo)體激光器。這種激光器具有泵浦閾值低和能夠進(jìn)行連續(xù)波泵浦的特點(diǎn)，外延銀薄膜在其中起到了關(guān)鍵性作用，因?yàn)槠錄]有晶界并且具有原子級(jí)的表面平整度，從而極大地降低了表面等離激元傳播過程中所受到的阻尼。相關(guān)工作發(fā)表在Science, 337(6093):450–453, 2012上。

    2、金屬薄膜上亞波長(zhǎng)孔陣列的Fano共振

    表面等離激元導(dǎo)致的反常透射現(xiàn)象對(duì)應(yīng)的透射峰通常表現(xiàn)為不對(duì)稱的線型，稱為Fano線型。對(duì)于金屬薄膜上二維亞波長(zhǎng)孔陣列的反常透射中的Fano共振，非共振通道對(duì)應(yīng)于入射光從單個(gè)小孔中的通過，共振通道則與表面等離激元相關(guān)。Fano線型有兩個(gè)重要的參數(shù)，分別是線寬和不對(duì)稱參數(shù)。邱祥岡研究組的博士生李博宏、程飛和磁學(xué)實(shí)驗(yàn)室韓秀峰研究員領(lǐng)導(dǎo)的研究組合作，利用準(zhǔn)周期結(jié)構(gòu)的超元胞，設(shè)計(jì)了一系列的二維孔陣列，在不同的樣品中實(shí)現(xiàn)了相同的非共振通道，從而通過改變超元胞的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性實(shí)現(xiàn)了對(duì)Fano線型的線寬的調(diào)制。相關(guān)工作發(fā)表在Applied Physics Letters, 101(3):031114, 2012上。

    此外，該研究團(tuán)隊(duì)還設(shè)計(jì)了一套由兩套子格子嵌套而成的復(fù)式孔陣列，通過改變兩套子格子的孔徑比，實(shí)現(xiàn)了對(duì)Fano線型的不對(duì)稱參數(shù)的調(diào)制。相關(guān)工作發(fā)表在Applied Physics Letters, 100(13):131110, 2012上。這部分工作不但有助于深入理解反常透射現(xiàn)象中的Fano共振的物理機(jī)制，還有助于設(shè)計(jì)基于Fano線型調(diào)制工程的表面等離激元器件，例如生化傳感器、光開關(guān)、濾波器等。

    以上研究工作得到了科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委和中國(guó)科學(xué)院項(xiàng)目的資助。