一種基於超穎表面的近場表面等離激元復振幅調製方法與流程

2023-08-13 17:58:51 2

本發明涉及一種近場表面等離激元復振幅調製方法，尤其涉及一種基於貝裡相位超穎表面的近場表面等離激元復振幅調製方法，屬於微納光學領域。

背景技術：

超穎材料是一類通過人造微納結構設計實現自然界中不存在的物理特性的人造電磁材料的總稱，因其重要的潛在應用價值已成為微納光學的一個前沿熱點領域。超穎表面可視為一種特殊的平面二維超穎材料，可以實現在厚度遠小於光波長的區域內，通過亞波長尺寸的周期單元的強烈光學響應改變局部光場的相位和振幅，從而實現亞波長像素的波前調製。和體超穎材料相比，超穎表面在具備很強的調控光場能力的同時，具有超薄、低損耗、平面化、易加工等優勢，在光束整形、量子信息處理、光束軌道角動量、操縱光學全息技術、超大容量信息存儲等方面表現了巨大的應用潛力。

表面等離激元是一種局域在金屬和介質分界面處，由電磁波和金屬中自由電子的相互作用形成的一種特殊的電磁模式。在垂直於分界面的方向上，表面等離激元的強度呈指數級衰減，而在沿分界面的方向，其相對于波長可以傳播較長的距離。這種很強的局域場增強效應，使得它在片上光譜儀、等離子體檢測、光集成電路等眾多領域有著廣泛的應用前景。因此，對表面等離激元的近場調控成為一項非常重要的工作。利用具有偏振選擇性的孔徑陣列可以實現表面等離激元的定向和雙向激發【science.340,331(2013)】，利用二值像素化的溝槽結構可以實現表面等離激元的多點聚焦【opt.lett.34,2417(2009)】。已報導的部分研究成果涉及到了表面等離激元光場的生成，具體方法包括基於準布拉格匹配【phys.rev.lett.107,126804(2011)】或基於納米天線鏈【opt.lett.40,1520(2015)】的相位調製，利用納米尺寸的光柵結構實現的二值振幅調製【phys.rev.lett.107,116802(2011)】，由於沒有實現完整的復振幅調製，這些方法只適用於某些特定的光場，對任意光場的產生和面內操縱會受到限制。利用近場表面波全息方法【j.opt.soc.am.b,31,1642(2014)】，可以實現復振幅調製等工作，但是這種方法的實現需要複雜圖形的加工，因而精度受到限制。

目前，大多數關於超穎表面的研究集中於對自由空間傳播波的調控，少數研究開始將超穎表面應用於表面等離激元的近場面內調控。事實上，由於具有逐個像素控制局部光學特性(包括相位、振幅、偏振等)的能力，超穎表面為表面等離激元的面內調控提供一個靈活而便捷的途徑。

技術實現要素：

為了解決現有技術中存在無法簡便靈活地實現表面等離激元近場面內調控的問題，本發明公開的一種基於超穎表面的近場表面等離激元復振幅調製方法要解決的技術問題為：提供一種基於超穎表面的近場復振幅調製方法，能夠激發表面等離激元並對其在亞波長尺度進行任意的復振幅調控，實現複雜光場分布與傳播。

本發明是通過下述技術方案實現的。

本發明公開的一種基於超穎表面的近場表面等離激元復振幅調製方法，利用貝裡相位原理，通過同時調節各項異性的納米矩形孔陣列中每個周期的納米矩形孔長度和方位角，獲得離散化後的目標光場的振幅和相位信息，從而激發表面等離激元並對其在亞波長尺度進行任意的復振幅調控，實現複雜光場分布與傳播。

本發明公開的一種基於超穎表面的近場表面等離激元復振幅調製方法，包括如下步驟：

步驟一：通過改變超穎表面納米矩形孔的長度實現振幅調製。

所述的超穎表面通過各項異性的納米矩形孔結構實現。在相同的入射波長及入射偏振的條件下，若保持納米矩形孔的方位角相同，調節納米矩形孔幾何尺寸能夠引起相反旋向透射光復振幅的變化。所述的不同長度納米矩形孔的復振幅透過率能夠通過兩個垂直方向的線偏振光入射的結果計算得出，通過改變納米矩形孔的長度實現振幅調製。所述的復振幅透過率包括振幅和相位。

所述的不同長度納米矩形孔的復振幅透過率能夠通過兩個垂直方向的線偏振光入射的結果計算得出，具體計算方法如下：

入射平面波沿z方向傳播時

其中ω為頻率，k為波矢，則透射場為

用t矩陣表示入射場和透射場的復振幅關係

為表述方便，將各基本矩陣表述為a,b,c,d，則圓偏振光照射時t矩陣可表示為

因此，左旋光入射時，納米矩形孔透射的相反旋向的復振幅透過率為

a-d-i(b+c)

步驟二：確定超穎表面納米矩形孔方位角θ，實現目標光場的相位調製。

由貝裡相位原理可知，當一束偏振光經歷不同路徑改變偏振態的過程中，始末偏振態之間的相位改變與在邦加球表面划過的短程路徑有關【proc.r.soc.london,ser.a,392,45(1984)】。當某一旋向的圓偏振光入射時，經各向異性的納米矩形孔作用後，納米矩形孔部分透射光的偏振態改變為相反旋向的圓偏振光，此時偏振態演變的始末狀態分別位於邦加球的北極和南極。對於兩個方位角不同的納米矩形孔，在外加電場作用下，它們分別產生與本身方位角對應的電極化響應，偏振方向與納米矩形孔長軸平行，因此二者存在著不同的演化路徑。雖然始末狀態相同，但所述的兩個納米矩形孔的散射場的相位不同，相位差等於邦加球上兩條演化路徑包含的空間立體角的一半。因此，根據上述原理，當一種特定的圓偏振光入射時，相反旋向的透射光的相位偏移為納米矩形孔孔徑方位角的二倍。

同時，在預設一定階數的振幅值時，不同長度的納米矩形孔在實現振幅調製的同時會附帶額外的相位變化，通過數值模擬能夠得到所述的額外相位變化量。通過相反方向附加的補償方位角αc旋轉對附帶額外的相位變化進行補償，即能夠使不同長度的納米矩形孔得到相同的初始相位。而根據上述貝裡相位原理，不同的方位角會導致散射場產生不同的相位突變。將上述補償方位角αc與貝裡相位相結合實現任意的相位調製。最終所得的納米矩形孔方位角θ為貝裡相位和補償方位角αc的疊加值，即根據公式(1)確定納米矩形孔方位角θ，並根據確定的納米矩形孔方位角θ實現目標光場的相位調製。

θ＝(α-αc)/2(1)

其中α為目標光場的相位值，αc為補償方位角，其數值等於不同長度的納米矩形孔相反旋向透射光的相位變化。

步驟三：設計納米矩形孔陣列在平面內的周期，實現表面等離激元的動量匹配，從而實現表面等離激元的激發。

定義表面等離激元傳播的方向為y軸，納米矩形孔陣列各行的距離為表面等離激元半波長的整數倍，因此納米矩形孔陣列相鄰兩行間的相位差始終為固定值π。定義與等離激元傳播方向垂直的方向為x軸。x軸方向周期需要滿足自由空間的傳播光與表面等離激元的動量匹配條件，且x軸方向周期需小於入射光的波長以實現亞波長尺寸的調製。每個納米矩形孔具有預設的固定寬度，並分別具有不同的特徵長度和納米矩形孔方位角θ，用以調節表面等離激元的振幅和相位。在特定的圓偏振光入射時，納米矩形孔陣列能夠激發表面等離激元。

步驟四：基於超穎表面實現在逐個像素內對激發表面等離激元在亞波長尺度進行任意的復振幅調控，實現複雜光場分布與傳播。

通過步驟一改變納米矩形孔的長度實現振幅調製，通過步驟二確定納米矩形孔方位角θ實現目標光場的相位調製，即實現在每一個周期結構激發表面等離激元，並實現對激發表面等離激元任意的復振幅調控。通過步驟三確定納米矩形孔在平面內的周期，實現表面等離激元的激發。使激發表面等離激元按目標光場相位值α和振幅在材料的分界面傳播，進行任意的復振幅調控，即實現複雜光場分布與傳播。

所述的生成的表面等離激元場分布能夠通過近場掃描顯微鏡(snom)進行定量測量。

本發明公開的一種基於超穎表面的近場表面等離激元復振幅調製方法，能夠對振幅和相位進行任意的調製，在表面波光束整形、集成光電子系統以及表面波全息等領域有著極大的應用價值。

有益效果：

1、本發明公開的一種基於超穎表面的近場表面等離激元復振幅調製方法，實現基於超穎表面的表面等離激元的振幅和相位的同時調製，能夠激發表面等離激元並對其在亞波長尺度進行任意的復振幅調控，實現複雜光場分布與傳播。

2、本發明公開的一種基於超穎表面的近場表面等離激元復振幅調製方法，採用的是基於超穎表面的納米矩形孔徑陣列結構，能夠降低超穎表面設計和加工的複雜程度，可以廣泛應用於表面等離激元的光場整形，集成光電系統，表面波全息等領域。

3、本發明公開的一種基於超穎表面的近場表面等離激元復振幅調製方法，具有對目標光場的振幅值進行分階處理、目標光場的相位能夠實現連續變化的優點。

附圖說明

圖1本發明近場表面等離激元復振幅調製方法的流程圖；

圖2本發明近場表面等離激元復振幅調製方法的設計原理示意圖；

圖3針對目標波長的納米矩形孔的透射振幅、補償相位及對應的孔徑方位角；

圖4基於本發明加工的超穎表面在掃描電子顯微鏡下的結果圖。其中圖a為整個超穎表面結構，圖b為局部放大圖；

圖5基於本發明生成的近場面內傳播的艾利光束。其中圖a為z方向ez光場分量的數值模擬結果，圖b為光場總強度enorm的數值模擬結果，圖c為近場snom實驗結果。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細描述。此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。

實施例1：

為了驗證方法的可行性，以面內艾利光束為例，進行超穎表面納米矩形孔陣列的具體設計。艾利光束是一種具有自恢復性的彎曲路徑的無衍射光束，在表面等離子體電路和納米顆粒操縱等方面有重要的應用價值。在表面等離激元激發的初始位置，艾利光束的復振幅表達式為：

其中x0為主瓣的半高寬，a為指數函數的切趾項。沿x方向艾利函數波包的絕對值呈現出一系列的峰值，而相位值為交替分段的0和π。取x0＝0.8，a＝0.05，樣品水平範圍x＝-15μm至x＝2μm。

如圖1所示，本實施例公開的一種基於超穎表面的近場表面等離激元復振幅調製方法，包括如下步驟：

步驟一：通過改變超穎表面納米矩形孔的長度實現振幅調製。

所述的超穎表面通過各項異性的納米矩形孔結構實現。如圖2所示，在玻璃基底上，亞波長尺寸的納米矩形孔徑刻蝕於40nm的金層中，針對設計波長780nm，金膜的折射率可以通過橢偏儀測量，在設計波長處，測得折射值為n＝0.592+4.435i。進而利用表面等離激元色散關係可以求得表面等離激元的波長，如下式所示：

其中εm和εd分別為金膜和空氣的介電常數。表面等離激元的傳播距離為1/2/im(kspp),其中，kspp表示傳播常數，可以通過色散曲線獲得。結合(2)式可求得的傳播距離為55.27μm。這一數值為近場表面等離激元傳播的最大尺寸範圍。

在相同的入射波長及入射偏振的條件下，若保持納米矩形孔的方位角相同，調節納米矩形孔幾何尺寸能夠引起相反旋向透射光復振幅的變化。所述的不同長度納米矩形孔的復振幅透過率能夠通過兩個垂直方向的線偏振光入射的結果計算得出，即通過改變納米矩形孔的長度實現振幅調製。所述的復振幅透過率包括振幅和相位。

將納米矩形孔的寬度設置為50nm，長度在80nm至150nm的範圍內分成8個均勻的階次。通過數值模擬獲得對應尺寸下圓偏振光入射，相反旋向圓偏振光出射的復振幅透過率，從而獲得不同尺寸的振幅關係。

步驟二：確定超穎表面納米矩形孔方位角θ，實現目標光場的相位調製。

對於預設的8個階數的振幅值，不同長度的納米矩形孔在實現振幅調製的同時會附帶額外的相位變化，通過數值模擬能夠得到所述的額外相位變化量。通過相反方向附加的補償方位角αc旋轉對附帶額外的相位變化進行補償，即能夠使不同長度的納米矩形孔得到相同的初始相位。同時，根據貝裡相位原理，不同的方位角會導致散射場產生不同的相位突變。當一種特定的圓偏振光入射時，相反旋向的透射光的相位偏移為納米矩形孔孔徑方位角的二倍。將上述補償方位角αc與貝裡相位相結合實現任意的相位調製。最終所得的納米矩形孔方位角θ為貝裡相位和補償方位角αc的疊加值，即根據公式(1)確定納米矩形孔方位角θ，並根據確定的納米矩形孔方位角θ實現目標光場的相位調製。

當寬度設置為50nm，長度在80nm至150nm的範圍內分成8個均勻的階次時，通過數值模擬獲得對應尺寸下圓偏振光入射時，相反旋向圓偏振光出射的復振幅透過率，從而獲得由不同長度引起的額外的相位偏移。圖3給出了設計波長780nm處不同長度納米矩形孔徑的相位偏移，最終的納米矩形孔方位角由貝裡相位和補償相位共同決定，即公式(1)。

步驟三：設計納米矩形孔陣列在平面內的周期，實現表面等離激元的動量匹配，並實現表面等離激元的激發。

在y軸方向上，納米矩形孔陣列各行的距離為表面等離激元半波長的整數倍，因此納米矩形孔陣列相鄰兩行間的相位差始終為固定值π。x軸方向的周期需要滿足自由空間的傳播光與表面等離激元的動量匹配條件，且x軸方向周期需小於入射光的波長以實現亞波長尺寸的調製。在特定的圓偏振光入射時，納米矩形孔陣列能夠激發表面等離激元。選取納米矩形孔陣列x軸方向的周期為190nm，y軸方向的周期為380nm。當水平周期為190nm時，設計90個分別對應納米矩形孔徑的採樣點。設計四行對應的陣列，用以增強表面等離激元光場強度。根據幾何光程，由於y方向周期為表面等離激元波長的一半。相鄰兩行納米矩形孔產生的表面波相位差為π，則偶數行的孔徑方位角應為θ'＝(α+π-αc)/2＝θ+π/2，即與奇數行對應的孔徑方位角兩兩相互垂直。

步驟四：基於超穎表面實現在逐個像素內對激發表面等離激元在亞波長尺度進行任意的復振幅調控，實現複雜光場分布與傳播。

結合公式(2)，通過步驟一改變納米矩形孔的長度實現振幅調製，通過步驟二確定納米矩形孔方位角θ實現目標光場的相位調製，即實現在每一個周期結構激發表面等離激元，並實現對激發表面等離激元任意的復振幅調控。通過步驟三確定納米矩形孔在平面內的周期，實現表面等離激元的激發。使激發表面等離激元按目標光場相位值α和振幅在材料的分界面傳播，進行任意的復振幅調控，即實現複雜光場分布與傳播。

以上所述金膜層的納米矩形孔可以通過離子束刻蝕實現。加工完成的超穎表面在掃描電子顯微鏡下的結果如圖4所示。最終設計結果的近場光場分布可以通過snom進行定量測量。780nm的雷射光源經過偏振片和1/4波片轉換成所需的圓偏振光，之後經平面鏡反射入射到加工樣片的下表面進行背向入射。樣品固定於三維可調節的樣品臺上。在出射方向金屬-空氣界面產生表面等離激元光場，通過連接音叉的顯微探針進行測量，探針與樣品的距離在幾納米到十幾納米的範圍內。掃描結果通過光電倍增管進行光電轉化和信號放大。採用fdtd可以對設計的超穎表面進行三維全波數值模擬。圖5a為xy平面方向的ez數值模擬結果，表面等離激元沿彎曲路徑傳播，其主瓣軌跡為拋物線。由於樣品的金膜很薄，僅為40nm，部分入射光會直接透射，因此實驗結果為透射光和表面等離激元的幹涉疊加。如圖5b，圖5c所示，各方向上的光場總和的數值模擬結果enorm和實驗測得的光場二者相互吻合良好。

本實施例可在近場設計區域內實現基於貝裡相位超穎表面的表面等離激元任意複雜光場的復振幅調製。該近場復振幅調製方法設計簡便，便於加工，可以對振幅和相位進行任意的調製，在表面波光束整形、集成光電子系統以及表面波全息等領域有著極大的應用價值。

以上所述的具體描述，對發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例，用於解釋本發明，並不用於限定本發明的保護範圍，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。