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  受光學(xué)衍射極限的束縛，基于介質(zhì)材料的光子學(xué)器件的尺寸都在幾百納米以上，制約了微型化光子器件集成密度的進(jìn)一步提高，急需發(fā)展尺度在衍射極限以下的光學(xué)器件來進(jìn)行光信息的傳輸與處理。表面等離子極化激元（Surface Plasmon Polariton, SPP）是一種存在于金屬表面的特殊電磁場形式，可將光限域在衍射極限以下傳播，其在偏振狀態(tài)、模式體積、色散特性等方面具有一系列獨特的物理性質(zhì)，有利于實現(xiàn)亞波長尺度下的器件集成。然而，全金屬的器件傳輸損耗大且只能作為被動光學(xué)元件，限制了其在功能器件方面的適用范圍。有機(jī)材料具有豐富的光化學(xué)與光物理性質(zhì)，在光學(xué)增益、可控加工等方面表現(xiàn)出了獨特的優(yōu)勢，將有機(jī)材料的激子與金屬材料的表面等離子有效結(jié)合，可以同時解決衍射極限的問題與SPP的傳輸損耗問題。

  在國家自然科學(xué)基金委、科技部和中國科學(xué)院的大力支持下，中國科學(xué)院光化學(xué)重點實驗室的科研人員多年來一直致力于亞波長尺度下光子學(xué)信號調(diào)控方面的研究，在有機(jī)金屬納米復(fù)合材料的可控制備，以及具有特定功能的亞波長光學(xué)器件設(shè)計等方面開展了系統(tǒng)的研究工作（Adv. Mater. 2012, 24, 5681-5686; Adv. Mater. 2013, 25, 2784-2788; Small 2015, 11, 3728-3743; Adv. Mater. 2016, 28, 1319-1326）。 

圖1基于鈣鈦礦/金屬納米異質(zhì)結(jié)的激光耦合輸出

  在近期的研究中，研究人員設(shè)計了一種有機(jī)無機(jī)雜化鈣鈦礦/銀納米線復(fù)合結(jié)構(gòu)，利用光與SPP的耦合成功實現(xiàn)了激光模式的亞波長輸出（圖1）。用液相生長的方法將銀納米線包埋在單晶鈣鈦礦微米結(jié)構(gòu)中。復(fù)合結(jié)構(gòu)的包埋部分使鈣鈦礦內(nèi)的激光模式能有效的在銀納米線上激發(fā)生成SPPs并在端點以光子的形式輸出。耦合輸出的SPPs模式與鈣鈦礦腔體內(nèi)生的激光模式具有相同性質(zhì)，如模式能量，偏振屬性。同時改變泵浦方式可實現(xiàn)鈣鈦礦腔體和SPP輸出的激光模式的調(diào)控。在此基礎(chǔ)上通過在有機(jī)單晶體系中精確調(diào)控激子與表面等離子的相對取向，闡明了激子與SPP之間的耦合過程。相關(guān)研究成果發(fā)表于J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 2122-2125；ACS Nano 2017, DOI: 10.1021/acsnano.7b04584。 

圖2有機(jī)柔性激光的全色亞波長輸出 

  進(jìn)一步，為了解決亞波長相干光源的波長調(diào)制問題，研究人員設(shè)計了一種有機(jī)微盤/銀納米線復(fù)合結(jié)構(gòu)（圖2）。采用毛細(xì)作用力輔助的液相組裝方法將銀納米線嵌入在有機(jī)微盤的邊緣，摻雜激光染料的微盤在光學(xué)泵浦下作為高質(zhì)量的回音壁模式激光器，而嵌入的銀線可通過SPP將激光信號在亞波長尺度下進(jìn)行傳輸。利用聚合物微盤優(yōu)異的材料兼容性，將具有不同光學(xué)增益范圍的染料添加到微盤中，實現(xiàn)了可波長覆蓋整個可見范圍的微型激光。這種復(fù)合結(jié)構(gòu)結(jié)合了有機(jī)激光材料和銀納米線的優(yōu)勢，對納米光子學(xué)功能器件的研究提供了一種新的研究思路。相關(guān)研究成果發(fā)表于J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 11329-11332。 

  相關(guān)結(jié)果表明，有機(jī)材料優(yōu)異的柔性和可加工特點可為介質(zhì)/金屬復(fù)合體系的構(gòu)筑提供更加有效且可控的途徑。更重要的是，有機(jī)材料豐富的激發(fā)態(tài)過程，為深入研究光與物質(zhì)的相互作用提供了更加有力的手段。相關(guān)研究對設(shè)計和開發(fā)亞波長尺度下的新型光子學(xué)器件具有重要的指導(dǎo)意義。

  論文鏈接：http://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.7b06174