表面電漿子奈米雷射

近年來科學家正積極追尋具有小尺寸以及低功耗特性的微奈米等級同調光源，以達成高密度積體元件以及平行訊號處理的目標，並試圖在探索的過程進一步理解光與物質之間的交互作用。目前研究者已成功地將光學共振腔的體積縮小至僅能容許少數光學模態存在的尺度，這些技術包括了缺陷型光子晶體共振腔雷射(photonic crystal defect type lasers)、微米碟型雷射(Microdisk lasers)以及奈米線雷射(Nanowire lasers)。然而為了維持足以達成雷射操作的共振腔品質因子(Q factor)，以上技術均受限於光學繞射極限定律，使得光學共振腔尺度僅能縮小到(波長/介質折射率)³的體積大小。最近，科學家利用金屬對光場具有強烈吸收的特性，將光學模態壓縮在一個被金屬完全包覆的光學共振腔之中，以低Q值作為代價成功的縮減了光學共振腔的體積。除此之外，金屬還具有一個有趣的特性使共振腔模態可以突破繞射極限—在介電質以及金屬交界面形成表面電漿子(surface plasmon)。由於表面電漿子具有超小電磁場分佈的特性，使其有效率的增加柏賽爾因子(Purcell factor)的強度進而增強光與物質之間的交互作用，這讓具有奈米尺度共振腔的雷射操作得以實現。基於表面電漿子的特性，科學家進一步提出了利用表面電漿子達成受激放射的新穎元件—表面電漿子雷射(SPASER, surface plasmon based amplification of stimulated emission of radiation)。目前已有成功以金為主體來實現局域性表面電漿子雷射(localized surface plasmon )實例，包括了包覆於增益介質當中的奈米金球、奈米金柱或座落在增益介質上的二維蝴蝶結結構奈米金(Au bow-tie nano-structures)陣列。

與此同時，研究者亦成功實現以奈米線為增益介質並放置在隔著一層介電質薄膜的金屬上(SIM結構，Semiconductor-Insulator-Metal structure)，藉此形成法布里-裴洛表面電漿子(Fabry-Perot type surface plasmon or surface plasmon polariton)共振腔的表面電漿子雷射。具高度同調性的表面電漿子可以由奈米線所形成的法布里-裴洛共振腔端點以光子的形式放出，由於放出的光子與共振腔內的表面電漿子具有一對一的對應特徵，從共振腔放出的光子亦具有高度的同調性。更高的共振腔Q值可以透過將奈米線以奈米方塊(nanosquare)替代的方式，利用內部全反射形成迴廊耳語電漿子模態(whispery gallery surface plasmon mode)，或者使用同軸結構(coaxial structure)，以減少表面電漿子的端面耦合輸出損耗。透過改善共振腔的Q值，奈米雷射的操作溫度已經成功地提升到室溫，同軸結構奈米雷射甚至達成近乎無閾值(thresholdless)的表現。

由於柏賽爾因子反比於模態體積(mode volume)的緣故，奈米電漿子雷射的表現是否能夠成功的關鍵將取決於柏賽爾因子的增強幅度。若能降低電漿子在元件中的傳播速度將大幅提高電漿子與增益介質的交互作用進而增強柏賽爾因子的大小。雖然人們可以利用二維周期性結構中能帶邊緣的分佈回饋機制有效地降低電漿子的群速度(group velocity)，但滿足其條件所需之大面積卻有違製作奈米雷射的初衷。為了降低群速度以提高柏賽爾因子，卻又能有效降低元件的模態體積，尋找一個在目標波長範圍具有劇烈折射率變化的金屬成了首要的課題。由於帶間吸收的特性，銀的色散曲線(dispersion curve)在紫外光波段具有急劇的陡降，恰巧提供了實現奈米電漿子雷射的絕佳機會。為了證實這個想法的可行性，本實驗室團隊選擇了發光波長位置在紫外光範圍的氧化鋅(ZnO)作為增益介質，除了波長匹配之外，氧化鋅激子(exciton)具有高強度的鍵結能(binding energy)以及震盪強度(oscillator strength)的特性，使得氧化鋅激子與銀產生的表面電漿子之間的耦合程度大幅提升。在本項研究當中，本實驗室團隊利用激子-表面電漿子(exciton-surface-plasmon)之間的耦合作用實現了可室溫操作的紫外光奈米電漿子雷射。我們成功地展示出一個具有極大群速度指數(group index)、極小模態體積、極大柏賽爾因子、極大侷限係數(confinement factor)以及具有合理Q值的氧化鋅表面電漿子奈米雷射。這種紫外光奈米電漿子雷射在許多應用方面例如生物感測、光儲存、次波長成像以及光學蝕刻等均極具潛力!