等离激元超表面的矢量光场产生和轨道角动量控制研究

发布时间：2020-07-25 10:39

【摘要】：光场调控是光学领域研究的重要课题,一直以来,人们都期望能够实现光场的任意调控。光场调控通常是对振幅、相位、偏振及频率等描述光波特性的基本参量的调控,其中对相位和偏振的调控是实现光场控制的关键。传统的控制波前的方法主要是通过控制光学元件的空间变化的折射率和边界的几何形状来实现。但是,由于其体积大、重量大、结构复杂以及功能单一等特点,已经无法满足小型化,集成化,多功能化的形势需求。光学超表面是具有亚波长间隔的纳米单元排列成的二维表面材料结构。它利用单元的光学共振响应,在亚波长尺度上改变局域光波分布,实现全域光场控制。最近几年由新结构单元构成的超表面不断被提出,其小型化平板特征及可取代传统折射光学元件的前景吸引了研究者的广泛关注,其应用领域迅速拓展;重要的应用包括可见宽波段光束偏折、超透镜、自旋轨道角动量转换、涡旋光束产生、单色、彩色、消色差全息、矢量全息和拓扑光子学光波传输控制等。矢量光场作为实现相位和偏振调控的典型代表,其空间非均匀的偏振态分布为光场的时空演化和光与物质的相互作用带来新的效应,并极大促进了矢量光束在量子信息、量子纠缠、光学微操纵、紧聚焦、超分辨成像以及激光加速等经典物理和量子科学领域的研究。由于矢量光场多样化的偏振态分布,高阶庞加莱球、杂化庞加莱球及广义庞加莱球相继被提出以对不同矢量光束进行描述和分类,在一定程度上加快了矢量光场的研究进展。本论文基于超表面对相位和偏振的控制实现矢量光束及高阶庞加莱球光束的产生,利用超表面对相位的调控对表面等离激元场轨道角动量的叠加态进行控制。本论文的研究内容如下:1.概述了等离激元的基本概念及应用;介绍了有关超表面的国内外研究进展以及并对基于超表面的功能器件进行了系统的文献综述和分析;综述了偏振的四种描述方法,概述了涡旋光束的基本概念及轨道角动量叠加态的研究进展。综述了高阶庞加莱球、杂化庞加莱球以及广义庞加莱球等三类矢量光场偏振态的描述方法,并进行了系统的文献综述和分析。2.第二章主要提出了利用由正交纳米缝对组成的螺旋超表面在表面等离激元(SPP)场中产生径向偏振矢量涡旋的方法。首先在理论上利用表面等离激元的激发原理推导出一对纳米缝的激发公式,根据激发公式的特点将纳米缝对与阿基米德螺旋线相结合来构造螺旋超表面。利用惠更斯-菲涅尔原理推导出螺旋超表面中心区域x和y两分量场的表达式。根据所得公式计算出理论结果并与软件模拟结果相比较。在实验上搭建马赫-曾德尔干涉系统记录螺旋超表面透射光场四个分量的光强图样以及与参考光的干涉条纹。最后,对实验结果进行讨论和分析,验证了利用螺旋超表面产生径向偏振矢量涡旋这种方法的可行性。3.第三章提出一种可以克服线偏振方向依赖性的等离激元超表面,在入射的线偏振光为任意偏振角度的情况下都产生了径向偏振矢量涡旋(RPVBs)。我们通过模拟计算发现矩形纳米缝对单元结构,其出射偏振方向与入射偏振光的偏振方向无关,只与纳米缝对的旋转方向有关,且出射偏振方向始终与纳米缝的方向垂直。因此我们将方位角度不断旋转的矩形纳米缝对结构排列成阿基米德螺旋线的形状,阿基米德螺旋线半径变化产生的螺旋相位对纳米缝对旋转引起的PB相位进行补偿,从而在不同的线偏振光照射下都产生了RPVBs。我们分别从理论推导、时域有限差分(FDTD)仿真和实验三方面对上述结果进行了验证。4.第四章主要提出了一种利用等离激元超表面实现表面等离激元场(SPP)轨道角动量(OAM)任意叠加的方法。这种超表面结合了旋转的矩形纳米缝结构和分段螺旋线结构,其中旋转的纳米缝会引入与其角度相关的几何相位,分段的螺旋线会引入动态相位,两种相位的结合是实现OAM态叠加的关键。首先我们从单缝激发等离激元的理论出发,发现由单个纳米缝激发的SPP场包含两个径向分量:入射自旋和转换自旋。由纳米缝的旋转引入的几何相位只作用于入射自旋分量,得到两倍于旋转角度的螺旋相位波前。由螺旋线半径变化引起的动态相位会同时对两个分量的相位进行调制。通过改变超表面的几何参数改变两个分量的相位进而实现可控制的OAM叠加。实验上通过扫描近场显微镜(SNOM)对四个样品的SPP光场进行了探测,得到了与理论相符合的结果。5.第五章主要提出一种可以在亚波长尺度对光波的相位和偏振同时调控产生高阶庞加莱球光束的等离激元超表面结构。超表面由旋转角度可调且几何尺寸可变的矩形纳米缝与几何参数可调节的分段螺旋结合而成。这种超表面将纳米缝角度变化引起的几何相位和螺旋线半径变化引起的动态相位相结合,实现了两个正交的拓扑荷数值相同符号相反的圆偏振涡旋的叠加,其中两个涡旋的振幅可以通过改变纳米缝的几何尺寸进行调节,二者之间的相位差可以通过改变纳米缝的旋转角度来改变。而且通过改变纳米缝的旋转阶数和螺旋线的几何参数可以实现任意阶矢量光束的产生。我们基于偏振转化的理论对上述方法进行了验证,并通过实验的方法实现了庞加莱球赤道上的柱对称性矢量光束的产生,实现了庞加莱球一条完整经线上从左旋圆偏振涡旋到右旋圆偏振涡旋的光束的演化过程,并进一步而且还可以实现了任意高阶径向偏振及旋向偏振的矢量光束的产生,实验结果非常理想。该方法提供了一种简单、可行、灵活便捷的方式来对相位和偏振同时操控进而实现高阶庞加莱球矢量光束的生成,为高阶庞加莱球光束向小尺度方向发展提供了新的思路,也为纳米光子器件的设计提供了新的方法。
【学位授予单位】：山东师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O436;O441.4
【图文】：

平面波导结构

图 1.1 平面波导结构亚波长尺度内，沿着介质空间（z>0）与相邻的金属空间（z<0）之面）向前传播。在金属表面的传输波可能存在两种不同形式，一种传播方向没有电场，只有 Hx, Ey分量, Hz非零。另一种是横磁波（T只存在 Ex, Ey分量和 Hz分量。这种情况下，SPPs 只有 TM 模式。一个方程，Ex, Ey和 Hz满足如下关系：0022 20210yxz yyyHE izE HH( k )Hz ， k0分别为入射光的角频率和波矢，0为真空介电常数，β 为行波的方向的波矢分量。利用（1-1）式可得：

示意图,分界面,金属,介质

图 1.2 沿金属/介质分界面传播的 SPP 几何示意图d和m分别为介质和金属的介电常数， kzd和 kzm分别为传输波波矢在中垂直于分界面的分量， A1和 A2分别为传输波在电介质和金属中的( 1 2) ,i i ,是方向与界面方向垂直的波矢分量，它的倒数 1z z / k可以用来与界面方向垂直方向的衰减长度，这一特点说明了等离激元波具有局域的件要求 Hy 和 Ex 分量在分界面处是连续的，进而可得：1 2A A，d dm mkk 况下，介质的介电常数d大于 0，根据公式（1-4）Re[m]应小于 0，在两常数的实数相反时才能在其分界面处存在表面等离激元波。此时，yH 还程：2 2 2m 0mk k

光场分布,金属纳米

图 1.3 金属纳米缝实现 SPP 定向激发。(a)利用 Bragg 光栅实现 SPP 定向激发[1.25]。入射光波实现 SPP 定向激发[1.26]。(c)深度不同的纳米凹槽实现 SPP 定向激发[1.28]。属纳米缝阵列实现 SPP 定向激发[1.17]。（2）等离激元涡旋光束：等离激元涡旋光束（Plasmonic vortex）是指在金属表面旋场结构，其中心涡旋处的相位具有不确定性而呈现面包圈状的光场分布。这种特近场涡旋在粒子微操控，光镊，光束聚焦和定向激发等方面具有广泛的研究和重要用[1.29-1.31]。阿基米德螺旋线因其随方位角不断变化的半径成为了产生涡旋的重要结2008 年，Y.Gorodetski 课题组利用圆偏振光照射多圈阿基米德螺旋线第一次在 SPP生了涡旋[1.32]，如图 1.4（a）所示，利用了入射圆偏振光的自旋角动量耦合到由阿德螺旋线半径变化引起的轨道角动量中而产生了拓扑荷为 2 的 SPP 涡旋。2010 年 H 等人利用分段的螺旋线，通过改变螺旋线的段数以及入射光的偏振态实现了多种的SPP涡旋的产生[1.33]。2013年戴顿大学詹其文课题组利用单圈的阿基米德螺旋线，右旋圆偏振光分别照明得到的聚焦和涡旋的现象[1.34]，验证了阿基米德螺旋线圆偏

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