表面等离子体的偏振控制非对称激发研究取得进展

2017/10/20 | 【 【打印】【关闭】 | 访问次数:

最近,在科技部国家重点基础研究发展计划(973计划)项目“新型太赫兹源、接收器和其他关键功能器件及其应用”等的支持下,天津大学、美国俄克拉荷马州立大学、沙特阿卜杜拉国王科技大学的研究人员在表面等离子体的偏振控制非对称激发的研究中取得了重要进展,我所水科学研究室太赫兹课题组参与了部分工作。相关研究成果发表在美国光学学会(OSA)下属的旗舰期刊Optica上(Optica Vol. 4, Issue 9, pp. 1044-1051 (2017); https://doi.org/10.1364/OPTICA.4.001044)。

表面等离子激元是一种存在于介质和金属交界面的特殊的表面电磁波。随着等离子科学的快速发展,表面等离子体在各个领域都显现出很大的应用前景,比如超强光透射、高空间分辨率成像、波导传输以及生物化学传感等等。尤其在高集成度的电子光子复合电路上面意义重大,这得益于表面等离子体具有亚波长尺度的分辨率,可以降低串扰,能够进一步减小集成电路的尺寸。如果能很好地控制表面等离子体的发射方向,这对表面等离子体的功能性器件的发展将起到很大的推动作用。

这一研究长期以来面临两方面的挑战,即保留入射光的偏振信息以及控制表面等离激元的传播方向。近期报道的基于超表面的偏振控制非对称表面等离激元激发的工作吸引了广泛注意,因为它们有希望应用于新颖表面等离子器件的研制。但值得注意的是,在这些已报道的工作中,基本单元结构均被设计在特定的一组正交偏振下,即线偏振或者圆偏振,这导致了其偏振控制自由度只有两阶。在我们的研究中,采用将模式耦合理论引入到设计来克服这一限制。

通过理论分析以及实验验证我们发现,通过合理设计一对开口谐振环孔谐振器(split-ring-shaped slit resonator,SSR)之间的耦合,见图1,可在x、y、左旋、右旋偏振光入射下实现不同的非对称表面等离激元的激发。与此同时,入射光的偏振信息被完整保留在激发的表面等离激元中。图2、图3分别是设计结构的理论分析和太赫兹扫描成像实验结果。该设计方案可为偏振传感或偏振控制的表面等离子器件的研究提供新的机遇。

部分实验利用了上海应用物理所的太赫兹成像与检测实验平台,该平台隶属中科院大型仪器区域中心。基于平台,实验时入射波状态易于调整,可同时记录表面波的振幅和相位信息,用于测量太赫兹表面波的传播情况,能够直接描绘出由结构激发出来的太赫兹表面波的传播状态,为理论设计提供了依据。(水科学研究室 供稿)

1、结构设计及太赫兹成像模拟

2、一对SSR系统的理论分析

3、一对SSR结构的太赫兹扫描成像实验结果

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