等离激元涡旋场的生成与调控

论文摘要

光学涡旋(Optical Vortex)是携带轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM),相位呈螺旋分布的特殊光场。与普通光场相比,光涡旋由于携带轨道角动量而大大增加了信息容量,因此被广泛应用于光通信、光学探测、量子信息的研究当中。更有趣的是,光学涡旋场作用在微粒上,可以通过轨道角动量的传递,实现对微观粒子非接触和高精度的操纵。实验上生成光涡旋往往需要复杂的光路系统,抗干扰能力较差并且不利于光学器件的集成。而表面等离子体激元(Surface Plasmon Polaritons,SPPs)因为表面局域和近场增强的特点可以突破衍射极限在纳米尺度上调控光场。等离激元涡旋(Plasmonic Vortex,PV)场与光涡旋一样携带轨道角动量并且在捕获金属微纳粒子方面更有优势,其亚波长局域的特点更有利于光子器件的微型化与集成化从而实现片上光路。本文利用金属纳米缝结构设计了一种新型等离激元涡旋透镜(Plasmonic Vortex Len,PVL),以圆偏振光或者线偏振光灵活的激发并且调控等离激元涡旋场。主要研究内容如下:1.相反手性圆偏振光分别激发获得拓扑荷值相互独立且可调的等离激元涡旋场。由金属纳米缝激发的等离激元场,其相位包括由传播位移决定的传播相位以及由纳米缝的空间取向决定的几何相位两种形式。相比于传播相位,几何相位的符号由入射自旋决定。因此两种相位也被定义为对称相位和反对称相位。以往利用金属纳米结构激发等离激元涡旋场的方案中,等离激元涡旋场的拓扑荷值受限于入射圆偏振光的手性。为了实现在两种相反手性圆偏振光分别激发下得到的等离激元涡旋场拓扑荷值互相独立且可调。我们提出了一种新型等离激元涡旋透镜,该等离激元涡旋透镜以沉积在二氧化硅基底的金属纳米层为基本结构,在金属纳米层中刻蚀出相互垂直的纳米缝对阵列。以逆向设计的思想,首先预设两个相反手性圆偏振光激发等离激元涡旋场的相位,进而得到由金属纳米缝激发等离激元场应有的传播相位与几何相位,最后确定了纳米缝对的空间位置和空间取向,则等离激元涡旋透镜的结构就确定了下来。我们对所提出的理论模型进行理论分析得到了解析解,同时利用数值仿真软件得到了数值解,两种结果很好的吻合证明了该等离激元涡旋透镜在相反手性圆偏振光的激发下可以获得拓扑荷值独立且可调的等离激元涡旋场。2.相反手性圆偏振光同时激发获得复合等离激元涡旋场。既然两种相反手性圆偏振光各自激发的等离激元涡旋场彼此独立,那么两者同时激发的结果将是两个独立等离激元涡旋场的相干叠加,即会产生复合等离激元涡旋场。而线偏振光包含两种自旋分量可以同时激发两个相互独立的等离激元涡旋场,从仿真结果中可以发现,复合等离激元涡旋场有异于圆偏振光激发的完整等离激元涡旋场,表现为拓扑荷值较小的等离激元涡旋场占据中心位置,同时在涡旋环附近由于相消干涉产生了离轴的单位等离激元涡旋,我们把这个复合场定义为对称破缺的场强分布。有趣的是,在特殊情况下该等离激元涡旋透镜可以作为线偏振光的检偏器使用。3.相反手性圆偏振光分别激发获得拓扑荷及位置相互独立且可调的等离激元涡旋场。以往的等离激元涡旋透镜只能在其中心激发等离激元涡旋场,这限制了它的进一步应用。我们提出的等离激元涡旋透镜其结构是通过逆向设计的思想得到的,通过将位移相位添加到预设相位当中,在原来结构的基础上改变纳米缝对的空间位置及空间取向重构等离激元涡旋透镜,可以实现在透镜的任意位置激发拓扑荷可调的等离激元涡旋场,并且两种自旋可以分别在不同的位置激发等离激元涡旋场,更进一步体现了相互独立的性质。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 引言
•   1.2 表面等离子体激元概述
•     1.2.1 表面等离子体激元研究历程
•     1.2.2 表面等离子体激元的研究与应用
•   1.3 等离激元涡旋场与等离激元光镊
•     1.3.1 等离激元涡旋场简述
•     1.3.2 等离激元光镊简述
•   1.4 本文的主要研究内容
• 第二章 表面等离子体激元理论
•   2.1 引言
•   2.2 金属Drude模型
•   2.3 表面等离子体激元基本原理
•   2.4 表面等离子体激元的激发
•   2.5 表面等离子体激元特征长度
•   2.6 本章小结
• 第三章 电磁场计算方法—有限元方法
•   3.1 引言
•   3.2 有限元基本原理
•     3.2.1 Galerkin方法
•     3.2.2 Ritz方法
•   3.3 电磁场数值分析软件COMSOL Multiphysics
•     3.3.1 全局定义节点
•     3.3.2 组件节点
•     3.3.3 研究节点
•     3.3.4 后处理
•   3.4 本章小节
• 第四章 基于金属纳米缝阵列结构激发等离激元涡旋
•   4.1 引言
•   4.2 等离激元涡旋透镜理论设计
•   4.3 理论分析
•   4.4 数值仿真
•     4.4.1 圆偏振光激发任意拓扑荷值PV场
•     4.4.2 线偏振光激发对称破缺PV场
•     4.4.3 调控PV场激发位置
•   4.5 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 唐宝杰

导师: 丁剑平

关键词: 光学涡旋,表面等离子体激元,金属纳米缝,等离激元涡旋透镜,等离激元涡旋场,几何相位

来源: 南京大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学,物理学

单位: 南京大学

分类号: O43;O53

总页数: 67

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