中文摘要：

微腔激光器由于体积小、阈值低一直是集成光学的一个主要研发方向，它对提高光集成密度、降低能耗具有重要意义。由于受衍射极限的限制，传统介质激光器的尺寸最小只能到波长量级。因此，要研制能够克服衍射极限具有超小体积纳米激光器，就必须在理论和实验研究上另辟蹊径。本项目拟将金属材料引入激光器的设计,提出基于新异材料(Metamaterial)基础单元(磁共振结构)的超小体积（亚波长）纳米激光器原理；通过结构优化，设计出关键参数（如Purcell因子）可以实现光激射的微腔结构；实验上选择掺铒材料作为工作物质，用微加工方法制作出优化设计得到的结构，并采用共振抽运方式，用微区光谱系统测量其在通讯波长1.550微米的激射特性。这种金属磁共振激光器不仅具有克服衍射极限的超小体积，还具有容易散热和焊接电极等优点，因而在纳米激光光源及微纳集成光学领域有着广阔应用前景。

结论摘要：

本项目在国际上首次将金属等离激元引入到激光器领域，创新性地提出了基于金属等离激元的超小体积（亚波长）光抽运纳米激光器，设计了相应的微腔结构，研究了其阈值条件，并制备了样品测量了其激射光谱。取得的具体相关研究成果如下（1）提出了用三明治金属纳米结构的高阶等离激元共振模抽运低阶共振模的激光器设计思想，并用速率方程理论给出了激光器的阈值条件（阈值光抽运功率为20微瓦）。实验上制作了激光器样品，并测量了其激射谱线。（2）提出了用正交耦合纳米开槽孔磁共振结构的反对称模抽运对称模的双磁共振激光原理，并设计了相应的激光器结构，得到了其阈值条件（阈值抽运功率为20微瓦）和斜率效率（40%）。（3）研究了在光抽运功率低于阈值功率情况下光信号的放大效应，结果表明此放大效应能有效地弥补金属结构的本征损耗，实现信号的无损传输。（4）研究了金属纳米激光器输出激光的偏振控制方法，提出了基于普通反射与局域等离激元共振反射叠加控制激光偏振的物理思想。（5）研究了金属纳米激光器输出激光的单向传输方法，提出了成45度级联等离激元亚波长金属光栅和介质亚波长光栅实现激光单向传输的物理思想。（6）提出了一种基于金属局域等离激元和介质结构结合的新型微腔， 它利用金属局域等离激元抑制辐射损耗，利用介质结构抑制金属的本征损耗，所以这种微腔既有高的品质因子，也有超小的模体积。此新型微腔结构的提出为我们下一步研究性能更高的纳米激光器打下了基础。 总之，本青年自然科学基金项目理论上系统地研究了基于金属等离激元共振结构的光抽运超小体积纳米激光器原理和激射条件，并在实验上实现了激射；同时，也研究了输出激光的偏振控制和单向传输等关键问题； 共发表SCI学术论文12篇，其中Optics letters 6篇，Applied physics letters 3篇；申请并获授权国家发明专利1项。令人遗憾的是，本项目只研究了光抽运的纳米激光器，然而电激励的纳米激光器却更有实际意义。我们期待下一年能得到自然科学基金面上项目的资助，完成更具挑战性的电激励金属等离激元纳米激光器的研究工作。