CN113721312A - 偏振可控的定向表面等离激元激发装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及金属‑介质界面上表面等离激元激发技术，为实现在任意偏振光入射下实现SPPs的定向激发，打破SPPs激发方向和入射光偏振方向间相对关系的局限性，并且提升调控能力，本发明，偏振可控的定向表面等离激元激发装置，包括两组偶极子源，每组由两个相同的偶极子源组成，以平面内的偶极子谐振作为表面等离激元SPPs的激发结构单元，通过控制不同组偶极子源的SPPs激发相位、几何相位以及传播相位，来控制它们激发的SPPs之间的偏振相关干涉效应，实现任意偏振光入射下的SPPs定向激发，并在对应正交偏振光入射下使其激发的SPPs传播方向反转。本发明主要应用于金属‑介质界面上表面等离激元激发场合。
Description
技术领域
本发明涉及金属-介质界面上表面等离激元激发技术，具体涉及偏振可控的定向表面等离激元激发方法。
背景技术
表面等离激元(SPPs)是在金属-介质界面上传播的一种二维形式电磁波，由导体内自由电子与电磁场相互耦合形成，其场沿界面垂直方向上倏逝衰减1。SPPs波长小于对应自由空间光波长，可以突破衍射极限，实现在亚波长范围对光的限制和操纵。SPPs的以上特性使得其在许多领域有着重要的应用前景，如小型光学电路2，3、表面传感4、非线性光学5和数据存储6等。激发SPPs是实现这些应用最重要的步骤之一。目前的SPPs激发方法主要分为三类：棱镜激发、光栅激发和缺陷激发7。其中，棱镜激发法受限于棱镜较大的几何尺寸，不利于实现集成化SPPs器件。相比而言，光栅和缺陷激发法可以在很大程度上缩小器件的尺寸，但是由于SPPs的横磁波特征，SPPs往往只能被入射光中某个特定偏振方向的波分量激发，且定向激发方向和偏振方向间的相对关系不易控制，使得它们的应用也在很多方面受到限制。超表面的出现和发展为自由地定向激发SPPs提供了一种可靠的实现途径。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明旨在实现在任意偏振光入射下实现SPPs的定向激发，打破SPPs激发方向和入射光偏振方向间相对关系的局限性，并且，当入射偏振变为正交态时，其激发的SPPs传播方向会随之发生反转，进一步提升调控能力。为此，本发明采取的技术方案是，偏振可控的定向表面等离激元激发装置，包括两组偶极子源，每组由两个相同的偶极子源组成，以平面内的偶极子谐振作为表面等离激元SPPs的激发结构单元，通过控制不同组偶极子源的SPPs激发相位、几何相位以及传播相位，来控制它们激发的SPPs之间的偏振相关干涉效应，实现任意偏振光入射下的SPPs定向激发，并在对应正交偏振光入射下使其激发的SPPs传播方向反转。
对于一个金属平面内的偶极子源，其方向平行于w，与x轴方向呈θ角，在电场强度为Ein的入射光入射下，该偶极子只能被平行于它的电场分量激发，即Ew＝(Ein·w)w，其被激发后便会向外激发SPPs，SPPs场分布用如下公式进行具体描述：
其中，EN代表该偶极子在Ein入射下激发的SPPs在面上任意一点N的电场；C0是一个复数，代表了偶极子源在被Ew分量激发下的SPPs耦合系数；kSP＝2π/λSP是SPPs的波矢；λSP是激发SPPs的波长；w0是偶极子与N点的距离，由四列偶极子组成SPPs激发器，SPPs激发器分为左DP1、右DP2两列偶极子对，偶极子的摆放角度从左到右分别为：θ1＝3π/4，θ2＝π/4，θ3＝π/4，θ4＝3π/4，在每列偶极子对中，偶极子之间在x方向上的距离为S＝3λSP/4，y方向的距离为D＝λSP/2；两列偶极子对整体在x方向上的距离为L，在y方向有一错位距离D/2；
单独偶极子对的SPPs激发：对于DP1，在圆偏振光入射下
其在x方向上激发的SPPs表示为：E1＝C1(Ein·w1)δcos(θ1)exp(iδkSPS/2)+C1(Ein·w2)δcos(θ2)exp(-iδkSPS/2)＝C1(σ-δ)exp[i3π(σ+δ)/4]/2，其中σ＝-1和+1分别代表Ein是右旋圆偏振RCP和左旋圆偏振LCP；δ＝-1和+1分别代表向左或者向右传播的SPPs，将前述角度和间距参数代入后得，RCP只能激发向右传播的SPPs：E1R，RCP＝-C1；LCP只能激发向左传播的SPPs：E1L，LCP＝C1，其中下角标中的R和L分别代表激发器右侧和左侧；对于DP2，在圆偏振光入射下，激发的SPPs表示为：E2＝C2(δ+σ)exp[i(σπ/4+3δπ/4)]/2。与DP1相反，RCP只能激发向左传播的SPPs：E2L，RCP＝C2；LCP只能激发向右传播的SPPs：E2R，LCP＝-C2；
DP1和DP2同时存在的情况。对于任意的偏振光Ein，都可以用RCP与LCP表示：
其中a和δ分别表示入射光中y偏振分量与x偏振分量之间的振幅比和相位差，所以任意的一束偏振光Ein都可以被分解为振幅为
相位为
的RCP和LCP分量，对于DP1，RCP和LCP分别激发向右和向左传播的SPPs：E1R，RCP＝-C1，E1L，LCP＝C1；对于DP2，RCP和LCP分别激发向左和向右传播的SPPs：E2L，RCP＝C2，E2R，LCP＝-C2，其中，激发的表面等离激元E1L，LCP和E2L，RCP在左边发生干涉，E1R，RCP和E2R，LCP在右边发生干涉，左右两边的表面等离激元场分别表示为EL，ER：
这里的ψ1＝arg(C1)和ψ2＝arg(C2)表示的是D1和D2激发SPPs的相位响应，在Ein入射下，若要实现单向向左激发SPPs，则向左右两边传播的SPPs需要分别满足相干相长和相干相消，若要实现单向向右激发则需求正好相反。现以单向向左激发SPPs为例进行讨论，根据公式(3)，若向右激发的SPPs相干相消，即使ER＝0，则D1和D2的激发响应首先需要满足|C2|/|C1|＝ARCP/ALCP，此时ER被简化为：
可见，实现相干相消还需满足以下相位条件，其中n为整数：
根据本发明所提出的功能，若要激发器在正交偏振光入射下，使SPPs的传播方向发生反转，则这种情况下需使向左激发的SPPs相消干涉，该与Ein正交的偏振光Ein′表示为：
此时，RCP分量和LCP分量的振幅和相位分别表示为：
ARCP′＝ALCP，ALCP′＝ARCP，
和
因此在Ein′入射下左右两边的表面等离激元场EL′和ER′表示为：
因为|C2|/|C1|＝ARCP/ALCP，所以EL′进一步简化为：
在正交偏振光Ein′入射下，若要向左激发的SPPs相干相消，即EL′＝0，得到另一个条件：
为了实现偏振可控的定向SPPs激发，公式(5)和公式(9)必须同时满足，得到：
ψ2-ψ1＝±π/2 (10)
以上推导说明，D1和D2的激发相位需要相差π/2或-π/2，激发振幅需要满足|C2|/|C1|＝ARCP/ALCP，同时，还可以得到对应的L需要满足：
根据上述推导，将Ein入射下的EL和Ein′入射下的ER′分别表示为：
可见，两种偏振入射下的单向激发SPPs的振幅也同时是相等的。
如果SPPs激发单元：D1和D2的激发响应满足|C2|/|C1|＝ARCP/ALCP和ψ2-ψ1＝±π/2，同时狭缝对之间的距离L满足
即可实现在Ein入射下单向向左激发SPPs，Ein′入射下单向向右激发SPPs。
在太赫兹波段，采用亚波长的金属狭缝结构作为偶极子SPPs辐射源，以线偏振光入射为例，以数值仿真的方式，来展示上述方法的偏振可控定向SPPs激发效果；
由公式(2)可知，当
δ＝0时，Ein表示一束偏振方向角为
的线偏振光，其可以被分解为两束振幅相等
相位分别为
和
的RCP和LCP分量，SPPs激发单元D1和D2需满足振幅比|C2|/|C1|＝ARCP/ALCP＝1，相位差ψ2-ψ1＝±π/2，取相位差ψ2-ψ1为-π/2，公式(3)被化简为：
所以当L与
满足
时，n为整数，向左和向右激发的SPPs分别发生相干相长和相干相消，即单向向左激发SPPs；当满足
时，向左和向右的SPPs分别发生相干相消和相干相长，即单向向右激发SPPs。换言之，对于一个DP1与DP2之间的距离L固定的SPPs耦合器，当入射线偏振光的角度为
时，单向向左激发SPPs；当入射与其正交的线偏振光，即角度为
时，单向向右激发SPPs。因此，通过简单地调整L与
的关系，就可以实现任意正交偏振光入射下的可切换单向SPPs激发。
本发明的特点及有益效果是：
本发明将激发相位、传播相位和几何相位相结合，利用干涉调控原理，通过调整SPPs激发单元的响应和距离，实现在任意偏振入射下的定向SPPs激发，更重要的是，当对应的正交偏振入射时，定向SPPs的激发方向相反。
附图说明：
图1是计算得到的偶极子源激发的SPPs的z方向电场实部分布。
图2是激发器中的偶极子摆放方式示意图，其由两列偶极子对组成，即左边的偶极子对(DP1)和右边的偶极子对(DP2)。这4列偶极子各自的中心线与水平方向的夹角分别为：θ1＝3π/4，θ2＝π/4，θ3＝π/4，θ4＝3π/4。在每列偶极子对中，偶极子之间在x方向上的距离为S＝3λSP/4；y方向的距离为D＝λSP/2；两列偶极子对在x方向上的距离为L，在y方向的距离为D/2。
图3是采用亚波长的金属狭缝结构作为偶极子SPPs辐射源，根据图2所示的偶极子摆放方式来摆放狭缝结构，得到的SPPs激发器的示意图。左边的狭缝对由长为l1，宽为w1的狭缝1组成；右边的狭缝对由长为l2，宽为w2的狭缝2组成。它们各自的中心线与水平方向的夹角分别为：θ1＝3π/4，θ2＝π/4，θ3＝π/4，θ4＝3π/4。在每一列狭缝对中，狭缝之间，x方向上的距离为S＝3λSP/4；y方向的距离为D＝λSP/2；两列狭缝对在x方向上的距离为L，在y方向的距离为D/2。狭缝1与狭缝2的SPPs激发特性满足振幅比|C2|/|C1|＝1，相位差ψ2-ψ1＝-π/2。
图4是利用电磁场数值模拟软件CST Microwave Studio对选取的两种最优金属狭缝孔结构的SPPs激发特性仿真结果：浅色实线是狭缝孔1和狭缝孔2激发SPPs的振幅比|C1|/|C2|，深色实线是它们的相位差arg(C1/C2)。
图5是用电磁场数值模拟软件CST Microwave Studio模拟的由选取的最优结构组成的六个线偏振控制的定向SPPs激发器的激发效果。从上到下，激发器的L以步长-λSP/6从27λSP/12到17λSP/12变化，第二列是对应的结构，第三列与第四列是模拟得到的z方向SPPs电场在x-z平面的强度分布图。图中的箭头代表入射的线偏振态，第三列对应的入射线偏振角度
从上到下以π/6为步长从0到5π/6变化，第四列对应的入射线偏振角度
与相应
相差π/2。
图6是图5模拟结果中向左、右两边激发的SPPs的强度对比度。深色和浅色散点分别由图5的第三列和第四列结果计算得到。
图7是L＝27λSP/12的激发器在入射光角度
变化时向左(深色)、右(浅色)两边激发的归一化SPPs强度IL与IR。。
具体实施方式
本发明是一种在任意偏振光入射下，均能够实现单向的表面等离激元激发的方法，并且相互正交的偏振光可以激发传播方向相反的表面等离激元。
本发明介绍了一种偏振可控的定向SPPs激发方法，该方法将激发相位、传播相位和几何相位相结合，利用干涉调控原理，通过调整SPPs激发单元的响应和距离，可实现在任意偏振入射下的定向SPPs激发，更重要的是，当对应的正交偏振入射时，定向SPPs的激发方向相反。
实现偏振可控的SPPs定向激发在很多应用中均具有应用前景，如片上信息的预处理，可将携带不同信息的自由空间偏振光在片上进行预先分离或提取，以方便后续分析。探索新型的偏振可控SPPs定向激发方法一直是SPPs领域的研究热点之一。超表面是一种由一层或者几层亚波长尺度的人工结构单元以周期性或非周期性方式排列得到的具有亚波长厚度的二维材料。在过去的十年中，通过设计亚波长结构单元及其空间分布，超表面在操纵自由空间光波前方面展现出了前所有未的调控能力。近来，越来越多研究人员逐渐将超表面应用到SPPs激发当中，利用其强大的局域调控能力来控制SPPs的传播，例如，SPPs透镜8-10、涡旋光束产生11，12、特殊光束产生13，14等。在本发明关注的定向SPPs激发方面，现有的基于超表面的激发方法主要有三种：一种是通过设计结构单元的几何形状，来改变不同偏振光入射下的谐振响应，如十字形、L形、V形结构15-17，可以实现线偏振光或者圆偏振光入射下的定向SPPs激发；另一种是通过摆放具有不同相位响应的结构来在界面构建特定相位梯度，使其与SPPs的波矢相匹配，以此来达到空间光到SPPs的定向耦合18-20；第三种是通过控制不同SPPs激发单元之间的干涉效应来实现SPPs的定向激发21，22。但是本质上，这些激发方法均在激发的SPPs方向和入射光偏振方向之间的相对关系上存在局限性，比如，以已有的线偏振光的定向激发工作为例，其激发的SPPs方向只能平行或垂直于入射光的偏振方向，否则就会导致整体的激发效率降低。
为解决上述问题，本发明将SPPs的激发相位和几何相位、以及SPPs被单元激发后的传播相位相结合来控制不同激发单元在不同偏振光入射下的SPPs干涉效应，提出了一种偏振可控的SPPs定向激发方法，可以在任意偏振光入射下实现SPPs的定向激发，打破了SPPs激发方向和入射光偏振方向间相对关系的局限性，并且，当入射偏振变为正交态时，其激发的SPPs传播方向会随之发生反转，进一步提升了该方法的调控能力。
本发明要解决的技术问题在于，提出一种设计自由度高、性能鲁棒性强的偏振可控定向SPPs激发方法。
为了实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
以平面内的偶极子谐振作为SPPs的激发结构单元，其激发响应，包括振幅和相位，可通过设计偶极子谐振性质进行控制，这里称之为偶极子源。通过合理设计两个相同的偶极子源的角度和距离，能够在圆偏振光入射下实现手性相关的定向SPPs激发。本发明在上述基础上，引入两组这样的偶极子源，每组由两个相同的偶极子源组成，通过控制不同组偶极子源的SPPs激发相位(设计谐振性质)、几何相位(设计旋转角度)以及传播相位(设计间距)，来控制它们激发的SPPs之间的偏振相关干涉效应，实现任意偏振光入射下的SPPs定向激发，并在对应正交偏振光入射下使其激发的SPPs传播方向反转。这是本发明的关键点。
对于一个金属平面内的偶极子源，其方向平行于w，与x轴方向呈θ角。在Ein入射下，该偶极子只能被平行于它的电场分量激发，即Ew＝(Ein·w)w，其被激发后便会向外激发SPPs。图1给出了一个偶极子源激发的SPPs场分布，可见：在平行于偶极子方向(w＝[cosθsinθ]T)传播的SPPs振幅较强，且在正w和负w方向有π的相位差；随着传播方向逐渐偏离w，SPPs振幅逐渐减弱，最终在垂直于偶极子方向(l＝[-sinθ cosθ]T)上振幅降为0。该分布可用如下公式进行具体描述：
其中，EN代表该偶极子在Ein入射下激发的SPPs在面上任意一点N的电场；C0是一个复数，代表了偶极子源在被Ew分量激发下的SPPs耦合系数；kSP＝2π/λSP是SPPs的波矢；λSP是激发SPPs的波长；w0是偶极子与N点的距离。利用偶极子激发SPPs的上述特性，考虑如图2所示的由四列偶极子组成的SPPs激发器。该激发器可分为左(DP1)、右(DP2)两列偶极子对，其区别在于这两种偶极子(D1、D2)在被平行于它们的外场激发下的SPPs耦合系数不同。这些偶极子的摆放角度从左到右分别为：θ1＝3π/4，θ2＝π/4，θ3＝π/4，θ4＝3π/4，可见两列偶极子对结构的角度关系正好相反。在每列偶极子对中，偶极子之间在x方向上的距离为S＝3λSP/4，y方向的距离为D＝λSP/2；两列偶极子对整体在x方向上的距离为L，在y方向有一错位距离D/2。
为阐述上述设计的性能，先从单独偶极子对的SPPs激发着手进行说明。对于DP1，在圆偏振光入射下
其在x方向上激发的SPPs可以表示为：E1＝C1(Ein·w1)δcos(θ1)exp(iδkSPS/2)+C1(Ein·w2)δcos(θ2)exp(-iδkSPS/2)＝C1(σ-δ)exp[i3π(σ+δ)/4]/2，其中σ＝-1和+1分别代表Ein是右旋圆偏振(RCP)和左旋圆偏振(LCP)；δ＝-1和+1分别代表向左或者向右传播的SPPs。将前述角度和间距参数代入后可得，RCP只能激发向右传播的SPPs：E1R，RCP＝-C1；LCP只能激发向左传播的SPPs：E1L，LCP＝C1，其中下角标中的R和L分别代表激发器右侧和左侧。同理，对于DP2，在圆偏振光入射下，激发的SPPs可以表示为：E2＝C2(δ+σ)exp[i(σπ/4+3δπ/4)]/2。与DP1相反，RCP只能激发向左传播的SPPs：E2L，RCP＝C2；LCP只能激发向右传播的SPPs：E2R，LCP＝-C2。
现在考虑DP1和DP2同时存在的情况。对于任意的偏振光Ein，都可以用RCP与LCP表示：
其中a和δ分别表示入射光中y偏振分量与x偏振分量之间的振幅比和相位差，所以任意的一束偏振光Ein都可以被分解为振幅为
相位为
的RCP和LCP分量。根据之前的结论：对于DP1，RCP和LCP分别激发向右和向左传播的SPPs：E1R，RCP＝-C1，E1L，LCP＝C1；对于DP2，RCP和LCP分别激发向左和向右传播的SPPs：E2L，RCP＝C2，E2R，LCP＝-C2。其中，激发的表面等离激元E1L，LCP和E2L，RCP在左边发生干涉，E1R，RCP和E2R，LCP在右边发生干涉，左右两边的表面等离激元场可以分别表示为EL，ER：
这里的ψ1＝arg(C1)和ψ2＝arg(C2)表示的是D1和D2激发SPPs的相位响应。在Ein入射下，若要实现单向向左激发SPPs，则向左右两边传播的SPPs需要分别满足相干相长和相干相消，若要实现单向向右激发则需求正好相反。现以单向向左激发SPPs为例进行讨论。根据公式(3)，若向右激发的SPPs相干相消，即使ER＝0，则D1和D2的激发响应首先需要满足|C2|/|C1|＝ARCP/ALCP，此时ER可以被简化为：
可见，实现相干相消还需满足以下相位条件，其中n为整数：
根据本发明所提出的功能，若要激发器在正交偏振光入射下，使SPPs的传播方向发生反转，则这种情况下需使向左激发的SPPs相消干涉。该与Ein正交的偏振光Ein′可以表示为：
此时，RCP分量和LCP分量的振幅和相位可以分别表示为：
可见，ARCP′＝ALCP，ALCP′＝ARCP，
和
因此在Ein′入射下EL′和ER′可以表示为：
因为|C2|/|C1|＝ARCP/ALCP，所以EL′可以进一步简化为：
在正交偏振光Ein′入射下，若要向左激发的SPPs相干相消，即EL′＝0，可以得到另一个条件：
为了实现偏振可控的定向SPPs激发，公式(5)和公式(9)必须同时满足，可以得到：
ψ2-ψ1＝±π/2 (10)
以上推导说明，D1和D2的激发相位需要相差π/2或-π/2，激发振幅需要满足|C2|/|C1|＝ARCP/ALCP。同时，还可以得到对应的L需要满足：
根据上述推导，可以将Ein入射下的EL和Ein′入射下的ER′分别表示为：
可见，两种偏振入射下的单向激发SPPs的振幅也同时是相等的。
综上所述，如果SPPs激发单元：D1和D2的激发响应满足|C2|/|C1|＝ARCP/ALCP和ψ2-ψ1＝±π/2，同时狭缝对之间的距离L满足
即可实现在Ein入射下单向向左激发SPPs，Ein′入射下单向向右激发SPPs。以上理论使用于任何满足上述偶极子SPPs激发特性以及摆放间距的激发单元。
为验证上述发明方法的效果，本发明在太赫兹波段，采用亚波长的金属狭缝结构作为偶极子SPPs辐射源(此处不限于金属狭缝结构，任何支持类似SPPs激发特性的偶极子谐振的结构均可)，以线偏振光入射为例，以数值仿真的方式，来展示上述方法的偏振可控定向SPPs激发效果。
由公式(2)可知，当
δ＝0时，Ein表示一束偏振方向角为
的线偏振光，其可以被分解为两束振幅相等
相位分别为
和
的RCP和LCP分量。根据技术方案中的推导，SPPs激发单元D1和D2需满足振幅比|C2|/|C1|＝ARCP/ALCP＝1，相位差ψ2-ψ1＝±π/2，取相位差ψ2-ψ1为-π/2，公式(3)可以被化简为：
所以当L与
满足
时(n为整数)，向左和向右激发的SPPs分别发生相干相长和相干相消，即单向向左激发SPPs；当满足
时，向左和向右的SPPs分别发生相干相消和相干相长，即单向向右激发SPPs。换言之，对于一个DP1与DP2之间的距离L固定的SPPs耦合器，当入射线偏振光的角度为
时，单向向左激发SPPs；当入射与其正交的线偏振光，即角度为
时，单向向右激发SPPs。因此，通过简单地调整L与
的关系，就可以实现任意正交偏振光入射下的可切换单向SPPs激发。
本发明针对一种优化的狭缝结构来给出线偏振光入射下的数值模拟结果。根据图2所示的偶极子摆放方式来摆放狭缝结构，见图3，左边的狭缝对由长为l1，宽为w1的狭缝1组成；右边的狭缝对由长为l2，宽为w2的狭缝2组成。它们各自的中心线与水平方向的夹角分别为：θ1＝3π/4，θ2＝π/4，θ3＝π/4，θ4＝3π/4。在每一列狭缝对中，狭缝之间，x方向上的距离为S＝3λSP/4；y方向的距离为D＝λSP/2；两列狭缝对在x方向上的距离为L，在y方向的距离为D/2。通过设计狭缝尺寸，使狭缝1与狭缝2的SPPs激发特性满足振幅比|C2|/|C1|＝1，相位差ψ2-ψ1＝-π/2。
基于L与
的关系，设计了六个激发器，它们的L取值范围为27λSP/12到17λSP/6，步长为-λSP/6。图5是仿真得到的z方向的电场能量(正比|Ez|2，可代表SPPs强度)分布，图中白色箭头代表入射的线偏振态。根据上述L与
的关系，左边一列对应的偏振角度
从上到下的变化范围为0到5π/6，步长π/6，可见它们均单向向左激发SPPs。当入射偏振变为对应的正交态时，激发效果变为单向向右激发SPPs，见对应的右列结果。该单向SPPs激发效果可以用对比度来定量表示：
其中，
是指向左传描的SPPs强度；
是向右传播SPPs强度。如图6所示，深色和浅色的三角标记分别表示图5中左边一列和右边一列的向左、右两边传播SPPs的强度的对比度结果。从图中可以看出，向两个方向激发SPPs强度对比度绝对值均在20dB左右。以上结果说明本设计很好地验证了本发明提出的偏振可控定向SPPs激发方法。
除此之外，在本发明中，对于一个固定的L的激发器，改变入射光的偏振角度还可以对向两边激发的SPPs强度进行连续调节。图7给出了L＝27λSP/12的耦合器在入射光角度
变化时向左、右两边激发的SPP强度IL与IR的变化情况。可以看出，它们基本符合
与
的关系，说明本发明的激发方法还可以通过改变入射光偏振实现SPPs激发强度的连续调控。
在此基础上，可以预见，只要挑选合适的两个偶极子SPPs辐射源，使其满足激发振幅和激发相位匹配条件，并同时控制L，即可实现任意偏振入射下的单向SPPs激发，及正交偏振光入射下的激发方向切换。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
作为本发明的一种优选实施例子，上述选取的金属狭缝结构的工作频率为0.75THz，金属选为厚度200nm的铝膜，其电导率为σ＝3.56×107S/m，衬底为2mm厚的石英，其介电常数εquartz＝3.75。为了提高太赫兹SPPs在金属表面的束缚性，在金属表面覆盖了一层20μm的聚酰亚胺(polyimide)，其介电常数为εpolyimide＝3.48。在这种情况下，经过模式计算，0.75THz对应的SPPs波长为λSP＝389.5μm。所选取的金属狭缝孔1的尺寸为：l1＝112μm，w1＝10μm；狭缝孔2的尺寸为：l2＝85μm，w2＝15μm。图4是所选两狭缝结构的振幅比(浅色)和相位差(深色)，在0.75THz，它们的相位差为88.9°，振幅比为0.94，非常接近推导的线偏振控制的定向SPPs激发条件。
图5是六个耦合器在不同方向的正交线偏振光入射下模拟得到的z方向SPPs电场在x-z平面的强度分布结果，图中的箭头代表入射的线偏振态。很明显，通过设计L，可以在不同对应的正交线偏振光入射下，实现方向可切换的SPPs的单向激发，证实了本发明提出的方法。
图6是图5中向左、右两边激发的SPPs的强度对比度计算结果，其对比度绝对值达到了20dB左右，进一步说明了该设计具有很好地单向SPPs激发效果。
图7是L＝27λSP/12的耦合器在入射光线偏振角度
变化时，向左、右两边激发SPPs的归一化强度IL与IR变化结果。可以看出，它们基本符合
与
的关系，说明本发明方法还可以通过改变入射光偏振态对SPPs的激发强度进行很好地连续调节。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
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Claims (3)
1.一种偏振可控的定向表面等离激元激发装置，其特征是，包括两组偶极子源，每组由两个相同的偶极子源组成，以平面内的偶极子谐振作为表面等离激元SPPs的激发结构单元，通过控制不同组偶极子源的SPPs激发相位、几何相位以及传播相位，来控制它们激发的SPPs之间的偏振相关干涉效应，实现任意偏振光入射下的SPPs定向激发，并在对应正交偏振光入射下使其激发的SPPs传播方向反转。
2.如权利要求1所述的偏振可控的定向表面等离激元激发装置，其特征是，对于一个金属平面内的偶极子源，其方向平行于w，与x轴方向呈θ角，在电场强度为Ein的入射光入射下，该偶极子只能被平行于它的电场分量激发，即Ew＝(Ein·w)w，其被激发后便会向外激发SPPs，SPPs场分布用如下公式进行具体描述：
其中，EN代表该偶极子在Ein入射下激发的SPPs在面上任意一点N的电场；C0是一个复数，代表了偶极子源在被Ew分量激发下的SPPs耦合系数；kSP＝2π/λSP是SPPs的波矢；λSP是激发SPPs的波长；w0是偶极子与N点的距离，由四列偶极子组成SPPs激发器，SPPs激发器分为左DP1、右DP2两列偶极子对，偶极子的摆放角度从左到右分别为：θ1＝3π/4,θ2＝π/4,θ3＝π/4,θ4＝3π/4，在每列偶极子对中，偶极子之间在x方向上的距离为S＝3λSP/4，y方向的距离为D＝λSP/2；两列偶极子对整体在x方向上的距离为L，在y方向有一错位距离D/2；
单独偶极子对的SPPs激发：对于DP1，在圆偏振光入射下
其在x方向上激发的SPPs表示为：E1＝C1(Ein·w1)δcos(θ1)exp(iδkSPS/2)+C1(Ein·w2)δcos(θ2)exp(-iδkSPS/2)＝C1(σ-δ)exp[i3π(σ+δ)/4]/2，其中σ＝-1和+1分别代表Ein是右旋圆偏振RCP和左旋圆偏振LCP；δ＝-1和+1分别代表向左或者向右传播的SPPs，将前述角度和间距参数代入后得，RCP只能激发向右传播的SPPs：E1R,RCP＝-C1；LCP只能激发向左传播的SPPs：E1L,LCP＝C1，其中下角标中的R和L分别代表激发器右侧和左侧；对于DP2，在圆偏振光入射下，激发的SPPs表示为：E2＝C2(δ+σ)exp[i(σπ/4+3δπ/4)]/2。与DP1相反，RCP只能激发向左传播的SPPs：E2L,RCP＝C2；LCP只能激发向右传播的SPPs：E2R,LCP＝-C2；
DP1和DP2同时存在的情况。对于任意的偏振光Ein，都可以用RCP与LCP表示：
其中a和δ分别表示入射光中y偏振分量与x偏振分量之间的振幅比和相位差，所以任意的一束偏振光Ein都可以被分解为振幅为
相位为
的RCP和LCP分量，对于DP1，RCP和LCP分别激发向右和向左传播的SPPs:E1R,RCP＝-C1，E1L,LCP＝C1；对于DP2，RCP和LCP分别激发向左和向右传播的SPPs:E2L,RCP＝C2，E2R,LCP＝-C2，其中，激发的表面等离激元E1L,LCP和E2L,RCP在左边发生干涉，E1R,RCP和E2R,LCP在右边发生干涉，左右两边的表面等离激元场分别表示为EL，ER：
这里的ψ1＝arg(C1)和ψ2＝arg(C2)表示的是D1和D2激发SPPs的相位响应，在Ein入射下，若要实现单向向左激发SPPs，则向左右两边传播的SPPs需要分别满足相干相长和相干相消，若要实现单向向右激发则需求正好相反。现以单向向左激发SPPs为例进行讨论，根据公式(3)，若向右激发的SPPs相干相消，即使ER＝0，则D1和D2的激发响应首先需要满足|C2|/|C1|＝ARCP/ALCP，此时ER被简化为：
可见，实现相干相消还需满足以下相位条件，其中n为整数：
若要激发器在正交偏振光入射下，使SPPs的传播方向发生反转，则这种情况下需使向左激发的SPPs相消干涉，该与Ein正交的偏振光Ein′表示为：
此时，RCP分量和LCP分量的振幅和相位分别表示为：
ARCP′＝ALCP,
和
因此在Ein′入射下左右两边的表面等离激元场EL′和ER′表示为：
因为|C2|/|C1|＝ARCP/ALCP，所以EL′进一步简化为：
在正交偏振光Ein′入射下，若要向左激发的SPPs相干相消，即EL′＝0，得到另一个条件：
为了实现偏振可控的定向SPPs激发，公式(5)和公式(9)必须同时满足，得到：
ψ2-ψ1＝±π/2 (10)
以上推导说明，D1和D2的激发相位需要相差π/2或-π/2，激发振幅需要满足|C2|/|C1|＝ARCP/ALCP，同时，还可以得到对应的L需要满足：
根据上述推导，将Ein入射下的EL和Ein′入射下的ER′分别表示为：
可见，两种偏振入射下的单向激发SPPs的振幅也同时是相等的；
如果SPPs激发单元：D1和D2的激发响应满足|C2|/|C1|＝ARCP/ALCP和ψ2-ψ1＝±π/2，同时狭缝对之间的距离L满足
即可实现在Ein入射下单向向左激发SPPs，Ein′入射下单向向右激发SPPs。
3.如权利要求2所述的偏振可控的定向表面等离激元激发装置，其特征是，在太赫兹波段，采用亚波长的金属狭缝结构作为偶极子SPPs辐射源，对于线偏振光入射：
由公式(2)可知，当
δ＝0时，Ein表示一束偏振方向角为
的线偏振光，其被分解为两束振幅相等
相位分别为
和
的RCP和LCP分量，SPPs激发单元D1和D2需满足振幅比|C2|/|C1|＝ARCP/ALCP＝1，相位差ψ2-ψ1＝±π/2，取相位差ψ2-ψ1为-π/2，公式(3)被化简为：
所以当L与
满足
时，n为整数，向左和向右激发的SPPs分别发生相干相长和相干相消，即单向向左激发SPPs；当满足
时，向左和向右的SPPs分别发生相干相消和相干相长，即单向向右激发SPPs；对于一个DP1与DP2之间的距离L固定的SPPs耦合器，当入射线偏振光的角度为
时，单向向左激发SPPs；当入射与其正交的线偏振光，即角度为
时，单向向右激发SPPs；因此，通过调整L与
的关系，就能够实现任意正交偏振光入射下的可切换单向SPPs激发。
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