基于悬链线超表面的SP定向激发器件设计与实验研究

摘要

表面等离激元技术是近年来多学科交叉的前沿研究热点，已经在超分辨率成像、超分辨光刻、矢量光场产生、平面聚焦器件等众多技术领域展现出了良好的应用潜能，在这些应用中如何实现SP(Surface Plasmon)的高效激发和调控始终是一个热点和难点问题。超表面是一种人工设计的二维复合结构，其电磁特性主要取决于人工设计的单元结构，能够在亚波长尺度上控制光的相位、振幅、偏振等信息，在SP定向激发调控方面具有突出优势，已引起世界各国研究人员的广泛关注。不过，现有的超表面存在单元结构离散、几何相位不能连续调控的问题，导致相位调控精度不高、器件结构复杂、消光比和带宽性能都还有待提高。而悬链线超表面具有相位连续可控、设计自由度多、结构面型连续紧凑的特点，因此有望大幅度提高SP定向器件的工作性能，是SP定向激发技术中刚刚兴起的研究领域。　　在国家自然基金项目的支持下，本论文主要讨论利用悬链线超表面来实现SP定向激发和调控的原理和方法，讨论波段集中在可见光红光波段，开展的主要工作如下：　　1.单元悬链线结构中的电磁模式分析。分别对X线偏振、Y线偏振、圆偏振三种不同极化状态的平面波垂直照明悬链线单元结构时的电磁场模式进行了分析，给出了650nm-850nm波段的SP共振曲线，讨论了共振和非共振时的电磁模式。当X线偏振光入射时，在735nm-810nm范围内均支持SP模式的激发，带宽约75nm；共振时电磁模式呈不对称的八极子形式，非共振时呈偶极子形式；共振电场沿X轴具有不对称性，主要沿+X方向传输。当Y线偏振光入射时，共振电磁模式呈不规则四极子，非共振时类似八极子，但与X线偏振相比是反对称模式；共振电场在X方向和Y方向均不具有定向传输特性。当圆偏振光入射时，共振电磁模式由三对不对称的偶极子组成，非共振电磁模式与共振模式相似，但电荷分布密度不同；共振电场沿Y轴有明显的不对称性，场主要沿+Y方向激发，在X方向有一定的非对称性，但不如Y方向明显。　　2.基于悬链线超表面的线偏振光SP定向激发器设计。依据悬链线单元结构在X线偏振光入射下电场分布的不对称性，设计了一种悬链线阵列超表面结构(10行5列)，通过参数优化实现了+X方向的定向传输，器件性能良好。耦合效率比单列结构提高了18倍，峰值消光比达到35dB@750nm(据我们所知现有文献的最大消光比为26dB@618nm)。该器件带宽约为60nm,在715nm-775nm波长范围内消光比均大于10dB。最后对腰宽、开口大小、阵列周期等结构参数的影响进行了讨论。　　3.基于悬链线超表面的圆偏振光SP定向激发器设计。首先结合悬链线几何相位的连续特性给出了圆偏振光入射时的SP定向激发模型，然后将悬链线单元看作定向激发的各向异性点光源，依据惠更斯-菲涅尔原理将点源沿X轴排成一列，使激发的SP在结构一侧干涉相长来实现定向激发。经过参数优化实现了Y轴方向可调的定向激发，峰值消光比为25dB@640nm，带宽50nm，波段范围615nm-665nm。最后也对结构参数的影响进行了简单讨论。　　4.基于悬链线超表面的SP多向分束器设计。综合以上两种悬链线超表面在X和Y方向的SP定向传输特性设计了多向分束器。设计的结构为4行4列悬链线超表面，当悬链线腰宽、开口大小、金膜厚度分别为120nm,585nm,120nm，且X和Y方向周期均为585nm时，该结构可以对不同偏振态入射光激发的SP实现分束。当X线偏振光入射时，SP主要沿+X方向传播；Y线偏振光入射时，主要沿Y方向传播；当RCP入射时，主要沿+X和-Y方向传播；当LCP入射时，主要沿+X和+Y方向传播。作用波段为570nm-640nm，最佳波长为618nm。最后，基于这一现象提出了可片上集成的多功能偏振检测器设想，依据输出的逻辑值即可判断入射光的偏振状态，给出了器件的逻辑功能表。　　5.悬链线超表面器件的加工和实验。首先对悬链线超表面器件的加工工艺、性能测试平台和测试步骤进行了简要介绍，然后着重对所加工的线偏振光SP定向激发器进行了性能测试和分析。实验结果表明：该样品具有良好的SP定向激发性能，激发的SP主要沿+X方向传输，在710nm-780nm波段范围内消光比大于10dB，峰值消光比为18dB@750nm，与理论分析结果基本一致，但消光比下降较大，可能与加工条件和实验条件有关。同时测试了Y线偏振光入射时的光场分布，结果表明Y线偏振光入射时不具有定向激发的特性，场主要局域在悬链线结构附近，与理论分析结果一致。

目录

声明

第一章 引 言

1.1 研究背景

1.2超表面的基本概念与特性

1.3基于超表面的SP定向激发调控研究现状

1.3.1啁啾光栅型超表面结构

1.3.2惠更斯-菲涅尔型超表面结构

1.3.3相位梯度超表面结构

1.3.4悬链线超表面结构

1.4 本文研究目的及内容

第二章 悬链线光学的基本概念及单元悬链线中的电磁模式

2.1 悬链线方程

2.1.1 普通悬链线方程

2.1.2 等强度悬链线方程

2.2 悬链线结构中的几何相位

2.2.1 几何相位概念

2.2.2 悬链线结构中的几何相位特征

2.3.1 电磁模式计算软件简介

2.3.2 悬链线建模和仿真设置

2.3.3 金属纳米结构中的电磁模式类型

2.3.4 X线偏振光入射时的SP电磁模式分析

2.3.5 Y线偏振光入射时的SP电磁模式分析

2.3.6 圆偏振光入射时的SP电磁模式分析

2.4本章小结

第三章 基于悬链线超表面的SP定向功能器件设计

3.1悬链线超表面器件的设计流程

3.2 SP定向功能器件的评价指标

3.3 线偏振光定向SP激发器设计

3.3.1理论模型

3.3.2单列悬链线的定向激发特性

3.3.3阵列悬链线定向激发器设计与仿真

3.3.4影响因素分析

3.4圆偏振光定向SP激发器设计

3.4.1理论模型

3.4.2器件功能仿真与分析

3.4.3 影响因素分析

3.5 SP多向分束器设计

3.5.1理论模型

3.5.2器件功能仿真与分析

3.5.3可片上集成的多功能偏振检测器初步设想

3.6本章小结

第四章 悬链线超表面器件的加工和实验

4.1悬链线超表面器件加工工艺简介

4.1.1 电子束加工流程

4.1.2 FIB加工流程

4.1.3样品设计与加工

4.2悬链线超表面器件的性能测试

4.2.1测试步骤

4.2.2 测试平台简介

4.2.3 测试结果及分析

4.3本章小结

第五章 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 展望

参考文献

致谢