Advanced Optical Materials:高Q因子等离激元共振:基础和应用

表面等离激元共振(SPR)是金属纳米结构中自由电子在相应的共振波长的光激发下的集体振荡,由于其可以克服常规光学器件的衍射极限,并增强光与物质相互作用而受到广泛关注。然而,在过去的几十年中,等离激元的唯一广泛的实际应用是表面增强拉曼散射(SERS)和生化传感。这是由于在这些应用中,损耗不是要考虑的关键因素。然而在大多数应用中,由于等离激元的非辐射损耗特性,等离激元器件受到损耗的困扰,例如超材料,超透镜,太阳能电池,等离激元波导,滤色片等。等离激元器件通常需要金属材料。在以超小模式体积提供极端的光局域的同时,由于损耗的存在,等离激元器件面临着巨大的挑战。品质因子Q通常被用来表征SPR的损耗和共振谱线宽度。Q因子本质上与存储的能量与振荡器损失的能量之比有关。在太阳能转换,场放大,光探测,红外成像,辐射热分析等的应用中,需要具有低Q因子的宽带SPR。但是,对于一些其他的应用,如谱选择热发射,吸收滤波,SERS,纳米激光,纳米透镜,量子光学和光镊等,则需要具有高Q共振的窄带光谱。光子晶体和介电微腔由于具有低的损耗,因而具有获得高Q因子的优势。但是,与等离激元腔相比,它们无法以亚波长体积支持共振模式。因此,实现具有高Q因子的SPR,将会为这些器件的应用带来巨大的革新。

在这篇综述中,电子科技大学基础与前沿研究院王志明教授团队系统总结了实现高Q等离激元共振的常规方法和特殊的等离激元共振模式,以及其在不同研究领域的最新进展,面临的挑战和发展趋势等。相关结果发表在Advanced Optical Materials(DOI: 10.1002/adom.202001520)上。

文章首先围绕实现高Q等离激元共振的相关理论基础进行分析,讨论了影响Q因子的关键因素,总结了传统的实现高Q等离激元共振的方法,如寻找可替代的等离激元材料,改变基底参数,降低器件工作温度,减少结构表面粗糙度,加入增益材料等。随后,文章详细介绍了六种特殊的等离激元共振来实现高Q值,包括表面晶格共振、多极共振、等离激元Fano共振、等离激元诱导的透明、导模共振和Tamm等离激元共振。在等离激元结构中,这些特殊的共振模式单独出现或多个并存,为实际应用提供了多项选择。文章还总结了高Q等离激元共振在多个研究领域的应用,包括谱选择热发射、传感、单光子发射、滤波、带边激射。高Q等离激元共振为这些领域的发展注入了新的活力。最后,文章对实现高Q等离激元共振面临的问题进行了分析和总结。总体而言,高Q等离激元共振的发展及其应用在很大程度上取决于理论上的进步和制造结构的可靠性近一步发展。尽管实现高Q等离激元共振仍具有挑战性,但可以期望为下一代光子和光电器件提供解决方案。