北京大学马仁敏课题组：纳米激光器暗辐射成像

近日，北京大学物理学院马仁敏研究员课题组与合作者对纳米等离激元激光器（纳米激光器）进行了实空间、动量空间和频率空间全维度同时成像，结果表明纳米激光器与传统激光器相比存在本质区别，其辐射场可以全部为金属中自由电子振荡形成的表面等离激元形式。该工作以“Imaging the dark emission of spasers” 为标题发表在Science Advances [(3:e1601962 (2017)] 上。

自激光器发明以来，其尺寸的小型化始终是一个重要的研究方向。传统的激光器中，增益介质通过受激辐射放大光子，因而激光器尺寸受光学衍射极限限制，难以实现微型化（图1左）。纳米激光器是利用等离激元共振从而实现三维物理尺度可同时小于出射波长的新型激光器（图1右），可在纳米尺度直接产生超强相干光场，在超分辨光学成像、痕量物质检测、芯片上光互联等领域有潜在应用。

图1 传统激光器（左）和纳米激光器（右）示意图

和传统激光器相比，纳米激光器最大的特点是通过受激辐射放大金属中自由电子在光频段的等离激元振荡而不是光子。然而自2009年纳米激光器发明以来，其表面等离激元辐射特性还未被检验，目前只能通过其散射到远场的光子对其进行间接表征（图2）。

图2 纳米激光器辐射特征示意图

利用北京大学戴伦教授课题组合成的高质量CdSe纳米增益材料，马仁敏课题组制备了高性能纳米激光器，使用漏辐射显微成像技术，通过动量匹配的方法将纳米激光器的表面等离激元暗辐射耦合到远场，实现了实空间、动量空间和频谱空间的直接成像，如图3所示。首次揭示纳米激光器的辐射能量可以百分之百耦合到传播模式的表面等离激元。该工作确认了纳米激光器与传统激光器本质区别，为对纳米激光器进行进一步操控和应用奠定了基础。