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▌微区光谱在纳米激光器研究中的应用
对全色域亚波长尺度输出的染料掺杂有机微盘纳米激光器的微区光谱表征
微腔光子学
纳米激光器
显微光谱
光学微盘
SPP
银纳米线波导
【概述】由于在激光照明、全色域显示，以及生物传感等领域中的重要意义，能够同时覆盖可见波段且具有高强度宽带输出的纳米激光器已经成为一个研究热点。2017 年 8 月，中科院化学所赵永生教授课题组在 JACS 发表了一篇题为《All-Color Subwavelength Output of Organic Flexible Microlasers》的文章。
图1，一种染料掺杂有机柔性微盘与银纳米线波导杂化的纳米激光器
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文章报道了一种采用染料掺杂的有机柔性材料，并结合银纳米线（AgNW）形成的亚波长尺度输出的纳米激光器（图1）。这种激光器能够覆盖完整的可见光波段，并能够实现多波长同时输出，因此，文章一经报道便引起了极大关注。
【样品 & 测试】作者采用了 有机微盘/银纳米线 异质结构的策略实现了全色域亚波长尺度输出的纳米激光器。这种异质结构由一个掺杂激光染料的高品质微盘作为 Whispering-gallery-mode (WGM) 激光共振腔，并嵌入 AgNW，通过表面等离子体的辅助将共振腔内的光学模式导出至纳米线末端，最终实现亚波长尺度的激光辐射。通过掺杂多种荧光染料，可实现全可见光波段的激光辐射调制及亚波长尺度的多波长输出。
本文中纳米激光器的最大特点在于有机与金属杂化的异质结构及其合成的制备方法。如 图2A 所示，首先在衬底上形成 Polystyrene (PS)微盘。由于 PS 的柔性和可见波段良好的透光性，这种微盘结构可以构成高 Q 因子的 WGM 微腔。其次，在化学合成和液面挥发的过程中，约 170nm 直径的 Ag 纳米线通过分子力，紧密地连接在 PS 微盘上，改变水含量可以控制微盘的直径。银纳米线与有机微盘的紧密结合是光学模式有效地从光学微腔传导到纳米线末端并辐射的基础。
图3，复享光学为微盘激光器近场光纤耦合提供的解决方案（部分）
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在异质结构中，染料掺杂的有机微盘起到了 WGM 光学增益腔的作用，银纳米线则起到了亚波长波导的作用。如 图2B 所示，通过不同染料的掺杂，可以实现 400~700nm 不同波长的激射。通过微区 PL 光谱的研究，可以确定这种纳米激光的阈值为 ~2.1μJ/cm²，通过计算可以知道，其品质因子约为 3047（579nm, 2.4μJ/cm²）。银纳米线的长度也影响了纳米激光器在不同波段辐射的效率，如 图2C 所示。在本文测试中，以复享光学成熟的 显微光谱解决方案 为基础而设计的 定制 PL 微区光谱系统 为有机/金属微盘激光器的光谱测试提供了重要帮助，是纳米激光器及相关微纳光子学器件检测的基本手段。
【总结】综上所述，文章作者开发了一种有机微盘/银纳米线的异质结构，实现了全色域亚波长输出的 WGM 纳米激光器。该纳米激光器的阈值达到了 ~2.1μJ/cm²，品质因子约为 3047，并可实现 400~700nm 范围内的波长调节。由复享光学提供的 PL 微区光谱系统在纳米激光器的研究中起到了关键作用，实现了微区精确“定点激发”和“定点接收”的光谱测量功能。▌
【参考文献】
✽ Zhao, Yongsheng, et al. "All-Color Subwavelength Output of Organic Flexible Microlasers." JACS 139.33 (2017): 11329-11332. Link
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