鑽石舞台

摘要：盧廷昌研究團隊透過4f量測系統在遠場干涉條紋中取出模態宇稱，建構混合表面電漿子鈣鈦礦納米鐳射之近場，此方法克服了因鐳射尺寸接近光學繞射極限導致顯微系統難以成像之問題。利用此方法，我們可以更精確地判斷共振模態，並搭配其他鐳射特性的量測，建立尺寸縮放定律，有利於低閾值雷射共振腔之設計。

關鍵詞：Advanced Optical Materials, 納米鐳射, 表面電漿子, 鈣鈦礦, 縮放定律, 納米線

表面電漿存在於金屬與介電材料之間，為表面電子集體震盪所形成的表面電磁波，具有非常強的光場局限性，若與入射光子耦合，將形成表面電漿極化子，能夠大幅度地縮減模態體積，克服光學繞射極限，並使結構尺寸能夠進一步的縮小。由於具有這種優異的特性，表面電漿極化子已經被廣泛地運用於各種光學領域以實現納米光學組件的設計，包含：光學傳感器、光偵測器、表面增強拉曼光譜以及納米鐳射等等。其中，對於納米鐳射而言，表面電漿子的引入，不外乎是注入活水，使其發展蓬勃且迅速。表面電漿模態的強光場局限性不僅可以有效地縮小鐳射共振腔，強近場與低群速度等特性更可以進一步提升柏賽爾效應，使共振模態與增益材料的交互作用增強，從而獲得優秀的鐳射性能。因此，近十年來，各式各樣的表面電漿子納米鐳射不斷地推陳出新，結構日新月異，性能更是日益精進。2015年，台灣陽明交通大學盧廷昌教授實驗室利用氧化鋅納米線、二氧化硅間隙層與金屬銀的搭配建構半導體-絕緣層-金屬(SIM)的結構，設計出具有超高模態局限性的表面電漿子納米鐳射，獲得非常低的鐳射閾值，並顯示了相當高的自發輻射因子。2018年，該研究團隊更透過氧化鋅納米線與金屬銀光柵的搭配，縮減表面電漿模態的自由度，設計出一維表面電漿子納米鐳射，並展示了當時最小的模態體積。

因此，根據表面電漿子納米鐳射的發展，尺寸走向微型化滿足其發展的重心。然而，當結構尺寸逐漸接近或小於光學繞射極限，顯微系統對於近場的分析與量測則越來越困難，除了很難透過足夠嚴謹的方式進行鐳射共振模態的判斷之外，更會影響理論分析與鐳射共振腔的設計。為了解決這個問題，盧廷昌教授研究團隊利用4f量測系統對物鏡的後焦平面進行成像，藉由分析不同尺寸的鈣鈦礦納米線鐳射於銀薄膜與藍寶石基板產生的自干涉條紋，萃取出模態宇稱，並搭配遠場極化的量測，建構出一個具有相對完整信息的近場，然後透過理論模擬的比對，便可精確地判斷雷射共振模態屬於光子模態亦或是混合表面電漿子模態。運用這個方法，便能夠順利突破表面電漿子納米鐳射發展的桎梏，無論共振腔尺寸多小，鐳射特性都可以獲得最精確的分析。該團隊更利用此方法，配合原子力顯微鏡量測精確的尺寸信息，建立混合表面電漿子鈣鈦礦納米鐳射的尺寸縮放定律，此定律有利於設計低功耗且強光與物質交互作用的表面電漿子納米鐳射。根據其建立的縮放定律，當線型鈣鈦礦寬度小於2.5微米時，混合表面電漿模態相對於光子模態具有較低的功率損耗，且量測出相當高的群指數，代表在這個尺寸之下，混合表面電漿模態與鈣鈦礦有非常強的交互作用。這些系統式的分析方法可應用於任何納米線型表面電漿子鐳射，並對納米鐳射的發展至關重要。相關論文已在線發表在Advanced Optical Materials上。