CN107229137A - 一种基于超颖表面的近场表面等离激元复振幅调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种基于超颖表面的近场表面等离激元复振幅调制方法，属于微纳光学领域。本发明利用贝里相位原理，通过同时调节各项异性的纳米矩形孔阵列中每个周期的纳米矩形孔长度和方位角，获得离散化后的目标光场的振幅和相位信息，从而激发表面等离激元并对其在亚波长尺度进行任意的复振幅调控，实现面内复杂光场分布与传播。本发明主要解决的技术问题为：提供一种基于超颖表面的近场复振幅调制方法，能够激发表面等离激元并对其在亚波长尺度进行任意的复振幅调控，实现复杂光场调控与传播。本发明能够对近场表面等离激元的振幅和相位进行任意的调制，在表面波光束整形、集成光电子系统以及表面波全息等领域有着极大的应用价值。

Description

一种基于超颖表面的近场表面等离激元复振幅调制方法

技术领域

本发明涉及一种近场表面等离激元复振幅调制方法，尤其涉及一种基于贝里相位超颖表面的近场表面等离激元复振幅调制方法，属于微纳光学领域。

背景技术

超颖材料是一类通过人造微纳结构设计实现自然界中不存在的物理特性的人造电磁材料的总称，因其重要的潜在应用价值已成为微纳光学的一个前沿热点领域。超颖表面可视为一种特殊的平面二维超颖材料，可以实现在厚度远小于光波长的区域内，通过亚波长尺寸的周期单元的强烈光学响应改变局部光场的相位和振幅，从而实现亚波长像素的波前调制。和体超颖材料相比，超颖表面在具备很强的调控光场能力的同时，具有超薄、低损耗、平面化、易加工等优势，在光束整形、量子信息处理、光束轨道角动量、操纵光学全息技术、超大容量信息存储等方面表现了巨大的应用潜力。

表面等离激元是一种局域在金属和介质分界面处，由电磁波和金属中自由电子的相互作用形成的一种特殊的电磁模式。在垂直于分界面的方向上，表面等离激元的强度呈指数级衰减，而在沿分界面的方向，其相对于波长可以传播较长的距离。这种很强的局域场增强效应，使得它在片上光谱仪、等离子体检测、光集成电路等众多领域有着广泛的应用前景。因此，对表面等离激元的近场调控成为一项非常重要的工作。利用具有偏振选择性的孔径阵列可以实现表面等离激元的定向和双向激发【Science.340,331(2013)】，利用二值像素化的沟槽结构可以实现表面等离激元的多点聚焦【Opt.Lett.34,2417(2009)】。已报道的部分研究成果涉及到了表面等离激元光场的生成，具体方法包括基于准布拉格匹配【Phys.Rev.Lett.107,126804(2011)】或基于纳米天线链【Opt.Lett.40,1520(2015)】的相位调制，利用纳米尺寸的光栅结构实现的二值振幅调制【Phys.Rev.Lett.107,116802(2011)】，由于没有实现完整的复振幅调制，这些方法只适用于某些特定的光场，对任意光场的产生和面内操纵会受到限制。利用近场表面波全息方法【J.Opt.Soc.Am.B,31,1642(2014)】，可以实现复振幅调制等工作，但是这种方法的实现需要复杂图形的加工，因而精度受到限制。

目前，大多数关于超颖表面的研究集中于对自由空间传播波的调控，少数研究开始将超颖表面应用于表面等离激元的近场面内调控。事实上，由于具有逐个像素控制局部光学特性(包括相位、振幅、偏振等)的能力，超颖表面为表面等离激元的面内调控提供一个灵活而便捷的途径。

发明内容

为了解决现有技术中存在无法简便灵活地实现表面等离激元近场面内调控的问题，本发明公开的一种基于超颖表面的近场表面等离激元复振幅调制方法要解决的技术问题为：提供一种基于超颖表面的近场复振幅调制方法，能够激发表面等离激元并对其在亚波长尺度进行任意的复振幅调控，实现复杂光场分布与传播。

本发明是通过下述技术方案实现的。

本发明公开的一种基于超颖表面的近场表面等离激元复振幅调制方法，利用贝里相位原理，通过同时调节各项异性的纳米矩形孔阵列中每个周期的纳米矩形孔长度和方位角，获得离散化后的目标光场的振幅和相位信息，从而激发表面等离激元并对其在亚波长尺度进行任意的复振幅调控，实现复杂光场分布与传播。

本发明公开的一种基于超颖表面的近场表面等离激元复振幅调制方法，包括如下步骤：

步骤一：通过改变超颖表面纳米矩形孔的长度实现振幅调制。

所述的超颖表面通过各项异性的纳米矩形孔结构实现。在相同的入射波长及入射偏振的条件下，若保持纳米矩形孔的方位角相同，调节纳米矩形孔几何尺寸能够引起相反旋向透射光复振幅的变化。所述的不同长度纳米矩形孔的复振幅透过率能够通过两个垂直方向的线偏振光入射的结果计算得出，通过改变纳米矩形孔的长度实现振幅调制。所述的复振幅透过率包括振幅和相位。

所述的不同长度纳米矩形孔的复振幅透过率能够通过两个垂直方向的线偏振光入射的结果计算得出，具体计算方法如下：

入射平面波沿z方向传播时

其中ω为频率，k为波矢，则透射场为

用T矩阵表示入射场和透射场的复振幅关系

为表述方便，将各基本矩阵表述为A,B,C,D，则圆偏振光照射时T矩阵可表示为

因此，左旋光入射时，纳米矩形孔透射的相反旋向的复振幅透过率为

A-D-i(B+C)

步骤二：确定超颖表面纳米矩形孔方位角θ，实现目标光场的相位调制。

由贝里相位原理可知，当一束偏振光经历不同路径改变偏振态的过程中，始末偏振态之间的相位改变与在邦加球表面划过的短程路径有关【Proc.R.Soc.London,Ser.A,392,45(1984)】。当某一旋向的圆偏振光入射时，经各向异性的纳米矩形孔作用后，纳米矩形孔部分透射光的偏振态改变为相反旋向的圆偏振光，此时偏振态演变的始末状态分别位于邦加球的北极和南极。对于两个方位角不同的纳米矩形孔，在外加电场作用下，它们分别产生与本身方位角对应的电极化响应，偏振方向与纳米矩形孔长轴平行，因此二者存在着不同的演化路径。虽然始末状态相同，但所述的两个纳米矩形孔的散射场的相位不同，相位差等于邦加球上两条演化路径包含的空间立体角的一半。因此，根据上述原理，当一种特定的圆偏振光入射时，相反旋向的透射光的相位偏移为纳米矩形孔孔径方位角的二倍。

同时，在预设一定阶数的振幅值时，不同长度的纳米矩形孔在实现振幅调制的同时会附带额外的相位变化，通过数值模拟能够得到所述的额外相位变化量。通过相反方向附加的补偿方位角α_c旋转对附带额外的相位变化进行补偿，即能够使不同长度的纳米矩形孔得到相同的初始相位。而根据上述贝里相位原理，不同的方位角会导致散射场产生不同的相位突变。将上述补偿方位角α_c与贝里相位相结合实现任意的相位调制。最终所得的纳米矩形孔方位角θ为贝里相位和补偿方位角α_c的叠加值，即根据公式(1)确定纳米矩形孔方位角θ，并根据确定的纳米矩形孔方位角θ实现目标光场的相位调制。

θ＝(α-α_c)/2 (1)

其中α为目标光场的相位值，α_c为补偿方位角，其数值等于不同长度的纳米矩形孔相反旋向透射光的相位变化。

步骤三：设计纳米矩形孔阵列在平面内的周期，实现表面等离激元的动量匹配，从而实现表面等离激元的激发。

定义表面等离激元传播的方向为y轴，纳米矩形孔阵列各行的距离为表面等离激元半波长的整数倍，因此纳米矩形孔阵列相邻两行间的相位差始终为固定值π。定义与等离激元传播方向垂直的方向为x轴。x轴方向周期需要满足自由空间的传播光与表面等离激元的动量匹配条件，且x轴方向周期需小于入射光的波长以实现亚波长尺寸的调制。每个纳米矩形孔具有预设的固定宽度，并分别具有不同的特征长度和纳米矩形孔方位角θ，用以调节表面等离激元的振幅和相位。在特定的圆偏振光入射时，纳米矩形孔阵列能够激发表面等离激元。

步骤四：基于超颖表面实现在逐个像素内对激发表面等离激元在亚波长尺度进行任意的复振幅调控，实现复杂光场分布与传播。

通过步骤一改变纳米矩形孔的长度实现振幅调制，通过步骤二确定纳米矩形孔方位角θ实现目标光场的相位调制，即实现在每一个周期结构激发表面等离激元，并实现对激发表面等离激元任意的复振幅调控。通过步骤三确定纳米矩形孔在平面内的周期，实现表面等离激元的激发。使激发表面等离激元按目标光场相位值α和振幅在材料的分界面传播，进行任意的复振幅调控，即实现复杂光场分布与传播。

所述的生成的表面等离激元场分布能够通过近场扫描显微镜(SNOM)进行定量测量。

本发明公开的一种基于超颖表面的近场表面等离激元复振幅调制方法，能够对振幅和相位进行任意的调制，在表面波光束整形、集成光电子系统以及表面波全息等领域有着极大的应用价值。

有益效果：

1、本发明公开的一种基于超颖表面的近场表面等离激元复振幅调制方法，实现基于超颖表面的表面等离激元的振幅和相位的同时调制，能够激发表面等离激元并对其在亚波长尺度进行任意的复振幅调控，实现复杂光场分布与传播。

2、本发明公开的一种基于超颖表面的近场表面等离激元复振幅调制方法，采用的是基于超颖表面的纳米矩形孔径阵列结构，能够降低超颖表面设计和加工的复杂程度，可以广泛应用于表面等离激元的光场整形，集成光电系统，表面波全息等领域。

3、本发明公开的一种基于超颖表面的近场表面等离激元复振幅调制方法，具有对目标光场的振幅值进行分阶处理、目标光场的相位能够实现连续变化的优点。

附图说明

图1本发明近场表面等离激元复振幅调制方法的流程图；

图2本发明近场表面等离激元复振幅调制方法的设计原理示意图；

图3针对目标波长的纳米矩形孔的透射振幅、补偿相位及对应的孔径方位角；

图4基于本发明加工的超颖表面在扫描电子显微镜下的结果图。其中图a为整个超颖表面结构，图b为局部放大图；

图5基于本发明生成的近场面内传播的艾利光束。其中图a为z方向E_z光场分量的数值模拟结果，图b为光场总强度E_norm的数值模拟结果，图c为近场SNOM实验结果。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：

为了验证方法的可行性，以面内艾利光束为例，进行超颖表面纳米矩形孔阵列的具体设计。艾利光束是一种具有自恢复性的弯曲路径的无衍射光束，在表面等离子体电路和纳米颗粒操纵等方面有重要的应用价值。在表面等离激元激发的初始位置，艾利光束的复振幅表达式为：

其中x₀为主瓣的半高宽，a为指数函数的切趾项。沿x方向艾利函数波包的绝对值呈现出一系列的峰值，而相位值为交替分段的0和π。取x₀＝0.8，a＝0.05，样品水平范围x＝-15μm至x＝2μm。

如图1所示，本实施例公开的一种基于超颖表面的近场表面等离激元复振幅调制方法，包括如下步骤：

步骤一：通过改变超颖表面纳米矩形孔的长度实现振幅调制。

所述的超颖表面通过各项异性的纳米矩形孔结构实现。如图2所示，在玻璃基底上，亚波长尺寸的纳米矩形孔径刻蚀于40nm的金层中，针对设计波长780nm，金膜的折射率可以通过椭偏仪测量，在设计波长处，测得折射值为n＝0.592+4.435i。进而利用表面等离激元色散关系可以求得表面等离激元的波长，如下式所示：

其中ε_m和ε_d分别为金膜和空气的介电常数。表面等离激元的传播距离为1/2/Im(k_SPP),其中，k_SPP表示传播常数，可以通过色散曲线获得。结合(2)式可求得的传播距离为55.27μm。这一数值为近场表面等离激元传播的最大尺寸范围。

在相同的入射波长及入射偏振的条件下，若保持纳米矩形孔的方位角相同，调节纳米矩形孔几何尺寸能够引起相反旋向透射光复振幅的变化。所述的不同长度纳米矩形孔的复振幅透过率能够通过两个垂直方向的线偏振光入射的结果计算得出，即通过改变纳米矩形孔的长度实现振幅调制。所述的复振幅透过率包括振幅和相位。

将纳米矩形孔的宽度设置为50nm，长度在80nm至150nm的范围内分成8个均匀的阶次。通过数值模拟获得对应尺寸下圆偏振光入射，相反旋向圆偏振光出射的复振幅透过率，从而获得不同尺寸的振幅关系。

步骤二：确定超颖表面纳米矩形孔方位角θ，实现目标光场的相位调制。

对于预设的8个阶数的振幅值，不同长度的纳米矩形孔在实现振幅调制的同时会附带额外的相位变化，通过数值模拟能够得到所述的额外相位变化量。通过相反方向附加的补偿方位角α_c旋转对附带额外的相位变化进行补偿，即能够使不同长度的纳米矩形孔得到相同的初始相位。同时，根据贝里相位原理，不同的方位角会导致散射场产生不同的相位突变。当一种特定的圆偏振光入射时，相反旋向的透射光的相位偏移为纳米矩形孔孔径方位角的二倍。将上述补偿方位角α_c与贝里相位相结合实现任意的相位调制。最终所得的纳米矩形孔方位角θ为贝里相位和补偿方位角α_c的叠加值，即根据公式(1)确定纳米矩形孔方位角θ，并根据确定的纳米矩形孔方位角θ实现目标光场的相位调制。

当宽度设置为50nm，长度在80nm至150nm的范围内分成8个均匀的阶次时，通过数值模拟获得对应尺寸下圆偏振光入射时，相反旋向圆偏振光出射的复振幅透过率，从而获得由不同长度引起的额外的相位偏移。图3给出了设计波长780nm处不同长度纳米矩形孔径的相位偏移，最终的纳米矩形孔方位角由贝里相位和补偿相位共同决定，即公式(1)。

步骤三：设计纳米矩形孔阵列在平面内的周期，实现表面等离激元的动量匹配，并实现表面等离激元的激发。

在y轴方向上，纳米矩形孔阵列各行的距离为表面等离激元半波长的整数倍，因此纳米矩形孔阵列相邻两行间的相位差始终为固定值π。x轴方向的周期需要满足自由空间的传播光与表面等离激元的动量匹配条件，且x轴方向周期需小于入射光的波长以实现亚波长尺寸的调制。在特定的圆偏振光入射时，纳米矩形孔阵列能够激发表面等离激元。选取纳米矩形孔阵列x轴方向的周期为190nm，y轴方向的周期为380nm。当水平周期为190nm时，设计90个分别对应纳米矩形孔径的采样点。设计四行对应的阵列，用以增强表面等离激元光场强度。根据几何光程，由于y方向周期为表面等离激元波长的一半。相邻两行纳米矩形孔产生的表面波相位差为π，则偶数行的孔径方位角应为θ'＝(α+π-α_c)/2＝θ+π/2，即与奇数行对应的孔径方位角两两相互垂直。

步骤四：基于超颖表面实现在逐个像素内对激发表面等离激元在亚波长尺度进行任意的复振幅调控，实现复杂光场分布与传播。

结合公式(2)，通过步骤一改变纳米矩形孔的长度实现振幅调制，通过步骤二确定纳米矩形孔方位角θ实现目标光场的相位调制，即实现在每一个周期结构激发表面等离激元，并实现对激发表面等离激元任意的复振幅调控。通过步骤三确定纳米矩形孔在平面内的周期，实现表面等离激元的激发。使激发表面等离激元按目标光场相位值α和振幅在材料的分界面传播，进行任意的复振幅调控，即实现复杂光场分布与传播。

以上所述金膜层的纳米矩形孔可以通过离子束刻蚀实现。加工完成的超颖表面在扫描电子显微镜下的结果如图4所示。最终设计结果的近场光场分布可以通过SNOM进行定量测量。780nm的激光光源经过偏振片和1/4波片转换成所需的圆偏振光，之后经平面镜反射入射到加工样片的下表面进行背向入射。样品固定于三维可调节的样品台上。在出射方向金属-空气界面产生表面等离激元光场，通过连接音叉的显微探针进行测量，探针与样品的距离在几纳米到十几纳米的范围内。扫描结果通过光电倍增管进行光电转化和信号放大。采用FDTD可以对设计的超颖表面进行三维全波数值模拟。图5a为xy平面方向的E_z数值模拟结果，表面等离激元沿弯曲路径传播，其主瓣轨迹为抛物线。由于样品的金膜很薄，仅为40nm，部分入射光会直接透射，因此实验结果为透射光和表面等离激元的干涉叠加。如图5b，图5c所示，各方向上的光场总和的数值模拟结果E_norm和实验测得的光场二者相互吻合良好。

本实施例可在近场设计区域内实现基于贝里相位超颖表面的表面等离激元任意复杂光场的复振幅调制。该近场复振幅调制方法设计简便，便于加工，可以对振幅和相位进行任意的调制，在表面波光束整形、集成光电子系统以及表面波全息等领域有着极大的应用价值。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例，用于解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于超颖表面的近场表面等离激元复振幅调制方法，其特征在于：包括如下步骤，

步骤一：通过改变纳米矩形孔的长度实现振幅调制；

所述的超颖表面通过各项异性的纳米矩形孔结构实现；在相同的入射波长及入射偏振的条件下，若保持纳米矩形孔的方位角相同，调节纳米矩形孔几何尺寸能够引起相反旋向透射光复振幅的变化；所述的不同长度纳米矩形孔的复振幅透过率能够通过两个垂直方向的线偏振光入射的结果计算得出，通过改变纳米矩形孔的长度实现振幅调制；所述的复振幅透过率包括振幅和相位；

步骤二：确定纳米矩形孔方位角θ，实现目标光场的相位调制；

预设一定阶数的振幅值，不同长度的纳米矩形孔在实现振幅调制的同时会附带额外的相位变化，通过数值模拟能够得到所述的额外相位变化量；通过相反方向附加的补偿方位角α_c旋转对附带额外的相位变化进行补偿，即能够使不同长度的纳米矩形孔得到相同的初始相位；同时，根据贝里相位原理，始末偏振态之间的相位改变与在邦加球表面划过的短程路径有关；对于两个方位角不同的纳米矩形孔，在外加电场作用下，它们分别产生与本身方位角对应的电极化响应，偏振方向与纳米矩形孔长轴平行，因此二者存在着不同的演化路径；进而导致散射场产生不同的相位突变；当一种特定的圆偏振光入射时，相反旋向的透射光的相位偏移为纳米矩形孔孔径方位角的二倍；将上述补偿方位角α_c与贝里相位相结合实现任意的相位调制；最终所得的纳米矩形孔方位角θ为贝里相位和补偿方位角α_c的叠加值，即根据公式(1)确定纳米矩形孔方位角θ，并根据确定的纳米矩形孔方位角θ实现目标光场的相位调制；

θ＝(α-α_c)/2 (1)

其中α为目标光场的相位值，α_c为补偿方位角，其数值等于不同长度的纳米矩形孔相反旋向透射光的相位变化；

步骤三：设计纳米矩形孔阵列在平面内的周期，根据动量匹配实现在表面等离激元的激发；

步骤四：通过步骤一改变纳米矩形孔的长度实现振幅调制，通过步骤二确定纳米矩形孔方位角θ实现目标光场的相位调制，并通过步骤三实现动量匹配，从而实现在每一个周期结构激发表面等离激元，并实现对激发表面等离激元任意的复振幅调控。

2.如权利要求1所述的一种基于超颖表面的近场表面等离激元复振幅调制方法，其特征在于：步骤一所述的不同长度纳米矩形孔的复振幅透过率能够通过两个垂直方向的线偏振光入射的结果计算得出，具体计算方法如下，

入射平面波沿z方向传播时

其中ω为频率，k为波矢，则透射场为

用T矩阵表示入射场和透射场的复振幅关系

为表述方便，将各基本矩阵表述为A,B,C,D，则圆偏振光照射时T矩阵表示为

因此，左旋光入射时，纳米矩形孔透射的相反旋向的复振幅透过率为。

A-D-i(B+C) 。

3.如权利要求1或2所述的一种基于超颖表面的近场表面等离激元复振幅调制方法，其特征在于：定义表面等离激元传播的方向为y轴，纳米矩形孔阵列各行的距离为表面等离激元半波长的整数倍，因此纳米矩形孔阵列相邻两行间的相位差始终为固定值π；定义与等离激元传播方向垂直的方向为x轴；x轴方向周期需要满足自由空间的传播光与表面等离激元的动量匹配条件，且x轴方向周期需小于入射光的波长以实现亚波长尺寸的调制；每个纳米矩形孔具有预设的固定宽度，并分别具有不同的特征长度和纳米矩形孔方位角θ，用以调节表面等离激元的振幅和相位；在特定的圆偏振光入射时，纳米矩形孔阵列能够激发表面等离激元，并使激发表面等离激元按目标光场相位值α和振幅在材料的分界面传播，即实现复杂光场分布与传播。

4.如权利要求3所述的一种基于超颖表面的近场表面等离激元复振幅调制方法，其特征在于：所述的生成的表面等离激元场分布能够通过近场扫描显微镜(SNOM)进行定量测量。

5.一种基于超颖表面的近场表面等离激元复振幅调制方法，其特征在于：利用贝里相位原理，通过同时调节各项异性的纳米矩形孔阵列中每个周期的纳米矩形孔长度和方位角，获得离散化后的目标光场的振幅和相位信息，从而激发表面等离激元并对其在亚波长尺度进行任意的复振幅调控，实现复杂光场分布与传播。