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近日，北京大學物理學院馬仁敏研究員課題組與合作者對納米等離激元激光器（納米激光器）進行了實空間、動量空間和頻率空間全維度同時成像，結(jié)果表明納米激光器與傳統(tǒng)激光器相比存在本質(zhì)區(qū)別，其輻射場可以全部為金屬中自由電子振蕩形成的表面等離激元形式。該工作以“Imaging the dark emission of spasers” 為標題發(fā)表在Science Advances [(3:e1601962 (2017)] 上。

自激光器發(fā)明以來，其尺寸的小型化始終是一個重要的研究方向。傳統(tǒng)的激光器中，增益介質(zhì)通過受激輻射放大光子，因而激光器尺寸受光學衍射極限限制，難以實現(xiàn)微型化（圖1左）。納米激光器是利用等離激元共振從而實現(xiàn)三維物理尺度可同時小于出射波長的新型激光器（圖1右），可在納米尺度直接產(chǎn)生超強相干光場，在超分辨光學成像、痕量物質(zhì)檢測、芯片上光互聯(lián)等領(lǐng)域有潛在應(yīng)用。

圖1 傳統(tǒng)激光器（左）和納米激光器（右）示意圖

和傳統(tǒng)激光器相比，納米激光器最大的特點是通過受激輻射放大金屬中自由電子在光頻段的等離激元振蕩而不是光子。然而自2009年納米激光器發(fā)明以來，其表面等離激元輻射特性還未被檢驗，目前只能通過其散射到遠場的光子對其進行間接表征（圖2）。

圖2 納米激光器輻射特征示意圖

利用北京大學戴倫教授課題組合成的高質(zhì)量CdSe納米增益材料，馬仁敏課題組制備了高性能納米激光器，使用漏輻射顯微成像技術(shù)，通過動量匹配的方法將納米激光器的表面等離激元暗輻射耦合到遠場，實現(xiàn)了實空間、動量空間和頻譜空間的直接成像，如圖3所示。首次揭示納米激光器的輻射能量可以百分之百耦合到傳播模式的表面等離激元。該工作確認了納米激光器與傳統(tǒng)激光器本質(zhì)區(qū)別，為對納米激光器進行進一步操控和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。