纳米阱可提高未来光学设备的光强度

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一种配置光捕获器件的方法有望通过放大光和提高发光纳米材料的发射效率来获得更好的光学纳米器件，而无需复杂的技术升级。

强光束对于从医学到电子产品的无数应用至关重要，但使用日常光源生产它们具有挑战性。然而，它们可以由激光产生。激光的工作原理是将光捕获在称为光学谐振器的腔体中，其中反射光波通过一种称为光共振的现象进行建设性干涉以放大光的强度。但是，谐振器材料可以发射、散射或吸收光，从而限制了其强度的增强程度，尤其是在纳米级设备中，例如超精密传感器。在《自然》杂志上写作，Schiattarella 等人。1报告一种平衡光从纳米谐振器逸出的可能性的智能方法，因此将光强度提高多达 36,000 倍。

在过去的二十年里，纳米级材料的进步使研究人员能够设计出比人类头发还粗的可见光和红外光谐振器2.然而，减小谐振器的尺寸不可避免地会导致光发射的增加。解决此问题的一种方法涉及一种特殊的光学共振，称为连续体中的束缚态，也称为暗模式。此模式以非常小的损耗放大光强度3.暗模式是通过仔细调整谐振器的特性来产生的，以在两个或多个“亮”波之间引起破坏性干涉，这些“亮”波是通过相长干涉形成的。

用暗模式限制光线可能会限制不需要的发射，但它并不能克服吸收和导致光散射的制造缺陷带来的挑战。最佳光强度通常是通过满足临界耦合条件来实现的4，其中光通过发射、散射和吸收的逃逸率完美匹配。但Schiattarella及其同事表明，他们可以通过调整暗模式和亮模式之间的能量交换来增强超出传统临界耦合范围的光约束。通过这样做，他们实现了“超临界”耦合。

作者研究了一种谐振器，该谐振器由一块130纳米厚的氮化硅板组成，该板上印有圆形孔的方形晶格，并放置在长度为0.1-1毫米的二氧化硅衬底上（图1）。他们首先计算了如何通过调整板的各种结构参数来优化板的光学共振，包括其晶格间距和厚度，以及孔的直径。然后，他们利用这些信息创建了具有相似频率和波形的暗模式和亮模式。

图 1 |一种用于增强光强度的光学纳米谐振器。Schiattarella 等人。1设计了一种称为光学纳米谐振器的装置，它通过捕获光波来增强光的强度。纳米谐振器包括一块 130 纳米厚的氮化硅板，在二氧化硅衬底上饰有圆孔图案。通过优化该设备，作者诱导了被捕获光波之间的能量交换，导致其发出的光的强度大幅增加。它还提高了称为上转换的过程的效率，在该过程中，纳米谐振器表面的发光纳米粒子发出的能量高于激发它们的激光能量的光子。边缘纳米粒子的发射比设备中心的纳米粒子发射更强烈、更聚焦，边缘的发射方向可以通过改变激光的偏振（其光波的电场和磁场振荡的平面）来切换。（改编自参考文献 1 的图 1。

通过用与暗模式具有相同频率的光照亮板的中心，作者表明他们可以诱导传统的临界耦合。这提供了中等强度的增强，但受到氮化硅板表面缺陷的限制。然后，他们表明，照亮板的边缘具有在暗波和亮波之间诱导特定能量交换率的效果，从而改变了临界耦合。作者的计算表明，将这种交换纳入通常的损耗平衡方程中可以满足超临界耦合条件，从而大大改善光强度的增强。

Schiattarella 等人。使用一种称为上变频的过程来证明他们的谐振器可以实现预测的超临界耦合。上转换涉及两个或多个光子结合并被吸收以产生一个更高能量的光子。例如，当由镧系元素系列元素制造的纳米颗粒吸收红外光并将其转化为可见光时，就会发生这种情况。当这些纳米粒子与纳米谐振器集成时，它们以更高的效率上转换5.

作者用两层上转换纳米颗粒均匀地覆盖他们的氮化硅板：一层含有一种化合物，当被红外光激发时会发出绿光，而另一层的颗粒会发出红光。他们使用产生极短光脉冲的激光，测量了由于上转换而产生的发光变化，并发现谐振器边缘的发光比中心增强得多。这与作者的模型预测一致，该模型预测表明，纳米粒子-谐振器系统边缘的发射应该比这些纳米颗粒的厚块层高出36,000倍。

除了更亮之外，边缘的发光也比中心的发光更精确地聚焦——从设备侧面以光束的形式出现，保持准直（即其光线平行）几毫米。与散装的发射相比，这种光束的方向性进一步增强了发射 - 根据作者的估计，增加了1亿多倍。Schiattarella 等人。还表明，通过改变入射激光的偏振方向（光波的电场和磁场振荡的平面），可以逐渐交换发射方向。

Schiattarella及其同事的主要创新是一种智能光子工程方法，该方法仅通过光学优化即可显着增强纳米结构光学器件的光强度，而无需制造技术或材料质量的进步。这种方法肯定会实现更有效的上转换过程，但它也可以通过提高对小样本量的灵敏度来有益于生物传感，并通过帮助量子比特（量子比特）保留信息来改善量子通信。

该研究的一个关键局限性是强发射仅发生在样品的边缘。许多纳米器件需要垂直于器件表面发射光，就像传统的光学元件（如透镜）一样。另一个问题是 Schiattarella 等人。通过精确调整板坯的几个结构参数，实现了超临界耦合。简化这种方法将使光子设计过程变得更加容易。

光学共振物理学的进步已经提高了纳米级光学器件的效率，其性能现在已接近传统光学器件（如激光器）的性能。Schiattarella及其同事在改善光学纳米结构共振特性方面的工作有望产生更小，更高效的纳米器件。这一进展最终可能导致眼镜和相机中的镜片被具有卓越性能的超薄光学元件所取代。

自然 626， 722-723 （2024）

doi： https://doi.org/10.1038/d41586-024-00311-5