人工微结构等离激元涡旋光场的产生及其调控

发布时间：2020-07-01 02:06

【摘要】：携带轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OA]M)的光学涡旋由于其能够为光与物质相互作用提供新的可操控维度,因而引起了人们的广泛兴趣。可是,随着光通讯、光学微操控等领域的蓬勃发展,当前对于器件小型化的要求越来越高,而传统的空间涡旋光场产生往往需要复杂的光路或者较大尺度的光学器件,因而不利于器件的集成。表面等离激元由于其具有亚波长的光场调控和近场增强效应,因而被认为是在突破衍射极限的纳米尺度上调控光场的最佳方案之一。能否利用等离激元的亚波长特性来有效压缩空间涡旋光尺寸,并且实现局域光场拓扑性质的调控,引起了人们的关注。然而,考虑到材料色散特性,表面等离激元的有效激发在低频率(例如远红外、太赫兹、微波)是一个巨大挑战。最近人们研究发现,通过对金属人工微结构材料的精巧设计,可以实现对低频电磁波传播模式和局域特性的有效操控,这为实现低频段的等离激元近场光旋涡提供了思路。本论文围绕如何利用金属人工微结构激发并调控工作在低频波段的类等离激元近场光旋涡以展开实验和理论方面的研究,主要内容包括以下两个方面:1.利用金属人工微结构的类等离激元波导产生的非对称倏逝场,激发置于其附近的精确设计的金属超构颗粒,实现了深亚波长局域等离激元近场光旋涡。我们设计并提出了一种可支持两个拓扑荷相反的局域旋涡模式的超构颗粒。由于两个旋涡态通常是同时激发的,因而整体表现为无轨道角动量的偶极响应。为打破简并特性以获取确定拓扑荷的旋涡光场,我们将该颗粒放置于金属梳状波导附近,利用波导激发的类等离激元导模的倏逝场的空间非对称性,高效地激发超构颗粒所支持的单个旋涡模式。同时,在考虑了波导与超构颗粒的耦合参数以及超构颗粒本身辐射损耗的基础上,利用等效的耦合理论,对人工微结构类等离激元旋涡的产生机制进行物理解释。实验结果、电磁仿真以及理论模型高度吻合。值得注意的是,所激发的类等离激元近场旋涡的有效半径约为其相应自由空间波长的十六分之一。这项工作打破了表面等离激元旋涡的频率限制,对于工作在低频率的功能性集成器件的研究具有重要意义。2.设计并实验制备了一种新型的可支持多阶局域共振的金属超构颗粒,利用非对称空间光场的激发,实现了具有高阶拓扑荷的局域涡旋光场。在综合考虑等离激元波导和颗粒耦合体系的等效色散、耦合强度以及辐射损耗的基础上,我们提出并制备了一种可以支持多阶局域共振的超构颗粒。通过波导提供的非对称倏逝场,实现了不同拓扑荷的近场光涡旋。微波实验结果与数值模拟和基于波导与颗粒耦合的理论分析高度吻合。我们的工作提出了一种工作在低频波段的携带多种轨道角动量类等离激元光旋涡的有效方法,这在信息编码或信号处理的集成器件中具有潜在的应用价值。
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O43
【图文】：

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嗯／□逡逑ｍ邋＝邋—２逡逑图１．２不同拓扑荷空间涡旋光的示意图。从左往右分别代表涡旋光束的波前分布，相位分逡逑布以及强度分布。（图片摘自维基百科［１２］）逡逑２逡逑

示意图,涡旋,拓扑,空间

Ａ逦Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ邋ｆｉｅｌｄ逡逑图１．１光的两种角动量模式。（ａ）自旋运动携带自旋角动量，对应的是（ｃ）光的偏振态；（ｂ）轨逡逑道环绕运动携带轨道角动量，对应的是（ｄ）光的螺旋相位分布。（图片摘自参考文献［１０］）逡逑１．邋２．１空间涡旋光逡逑＿逦ｍ邋＝邋＋２逡逑Ｑ逡逑ｍ邋＝邋＋１逡逑＾邋：．，ｉ邋□逡逑ｍ邋＝邋０逡逑％邋？邋□逡逑嗯／□逡逑ｍ邋＝邋—２逡逑图１．２不同拓扑荷空间涡旋光的示意图。从左往右分别代表涡旋光束的波前分布，相位分逡逑布以及强度分布。（图片摘自维基百科［１２］）逡逑２逡逑

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