[发明专利]偏振可控的定向表面等离激元激发装置

权利要求书

1.一种偏振可控的定向表面等离激元激发装置，其特征是，包括两组偶极子源，每组由两个相同的偶极子源组成，以平面内的偶极子谐振作为表面等离激元SPPs的激发结构单元，通过控制不同组偶极子源的SPPs激发相位、几何相位以及传播相位，来控制它们激发的SPPs之间的偏振相关干涉效应，实现任意偏振光入射下的SPPs定向激发，并在对应正交偏振光入射下使其激发的SPPs传播方向反转。

2.如权利要求1所述的偏振可控的定向表面等离激元激发装置，其特征是，对于一个金属平面内的偶极子源，其方向平行于w，与x轴方向呈θ角，在电场强度为E_in的入射光入射下，该偶极子只能被平行于它的电场分量激发，即E_w＝(E_in·w)w，其被激发后便会向外激发SPPs，SPPs场分布用如下公式进行具体描述：

其中，E_N代表该偶极子在E_in入射下激发的SPPs在面上任意一点N的电场；C₀是一个复数，代表了偶极子源在被E_w分量激发下的SPPs耦合系数；k_SP＝2π/λ_SP是SPPs的波矢；λ_SP是激发SPPs的波长；w₀是偶极子与N点的距离，由四列偶极子组成SPPs激发器，SPPs激发器分为左DP₁、右DP₂两列偶极子对，偶极子的摆放角度从左到右分别为：θ₁＝3π/4,θ₂＝π/4,θ₃＝π/4,θ₄＝3π/4，在每列偶极子对中，偶极子之间在x方向上的距离为S＝3λ_SP/4，y方向的距离为D＝λ_SP/2；两列偶极子对整体在x方向上的距离为L，在y方向有一错位距离D/2；

单独偶极子对的SPPs激发：对于DP₁，在圆偏振光入射下其在x方向上激发的SPPs表示为：E₁＝C₁(E_in·w₁)δcos(θ₁)exp(iδk_SPS/2)+C₁(E_in·w₂)δcos(θ₂)exp(-iδk_SPS/2)＝C₁(σ-δ)exp[i3π(σ+δ)/4]/2，其中σ＝-1和+1分别代表E_in是右旋圆偏振RCP和左旋圆偏振LCP；δ＝-1和+1分别代表向左或者向右传播的SPPs，将前述角度和间距参数代入后得，RCP只能激发向右传播的SPPs：E_1R,RCP＝-C₁；LCP只能激发向左传播的SPPs：E_1L,LCP＝C₁，其中下角标中的R和L分别代表激发器右侧和左侧；对于DP₂，在圆偏振光入射下，激发的SPPs表示为：E₂＝C₂(δ+σ)exp[i(σπ/4+3δπ/4)]/2。与DP₁相反，RCP只能激发向左传播的SPPs：E_2L,RCP＝C₂；LCP只能激发向右传播的SPPs：E_2R,LCP＝-C₂；

DP₁和DP₂同时存在的情况。对于任意的偏振光E_in，都可以用RCP与LCP表示：

其中a和δ分别表示入射光中y偏振分量与x偏振分量之间的振幅比和相位差，所以任意的一束偏振光E_in都可以被分解为振幅为相位为的RCP和LCP分量，对于DP₁，RCP和LCP分别激发向右和向左传播的SPPs:E_1R,RCP＝-C₁，E_1L,LCP＝C₁；对于DP₂，RCP和LCP分别激发向左和向右传播的SPPs:E_2L,RCP＝C₂，E_2R,LCP＝-C₂，其中，激发的表面等离激元E_1L,LCP和E_2L,RCP在左边发生干涉，E_1R,RCP和E_2R,LCP在右边发生干涉，左右两边的表面等离激元场分别表示为E_L，E_R：

这里的ψ₁＝arg(C₁)和ψ₂＝arg(C₂)表示的是D₁和D₂激发SPPs的相位响应，在E_in入射下，若要实现单向向左激发SPPs，则向左右两边传播的SPPs需要分别满足相干相长和相干相消，若要实现单向向右激发则需求正好相反。现以单向向左激发SPPs为例进行讨论，根据公式(3)，若向右激发的SPPs相干相消，即使E_R＝0，则D₁和D₂的激发响应首先需要满足|C₂|/|C₁|＝A_RCP/A_LCP，此时E_R被简化为：

可见，实现相干相消还需满足以下相位条件，其中n为整数：

若要激发器在正交偏振光入射下，使SPPs的传播方向发生反转，则这种情况下需使向左激发的SPPs相消干涉，该与E_in正交的偏振光E_in′表示为：

此时，RCP分量和LCP分量的振幅和相位分别表示为：A_RCP′＝A_LCP,和因此在E_in′入射下左右两边的表面等离激元场E_L′和E_R′表示为：

因为|C₂|/|C₁|＝A_RCP/A_LCP，所以E_L′进一步简化为：

在正交偏振光E_in′入射下，若要向左激发的SPPs相干相消，即E_L′＝0，得到另一个条件：

为了实现偏振可控的定向SPPs激发，公式(5)和公式(9)必须同时满足，得到：

ψ₂-ψ₁＝±π/2 (10)

以上推导说明，D₁和D₂的激发相位需要相差π/2或-π/2，激发振幅需要满足|C₂|/|C₁|＝A_RCP/A_LCP，同时，还可以得到对应的L需要满足：

根据上述推导，将E_in入射下的E_L和E_in′入射下的E_R′分别表示为：

可见，两种偏振入射下的单向激发SPPs的振幅也同时是相等的；

如果SPPs激发单元：D₁和D₂的激发响应满足|C₂|/|C₁|＝A_RCP/A_LCP和ψ₂-ψ₁＝±π/2，同时狭缝对之间的距离L满足即可实现在E_in入射下单向向左激发SPPs，E_in′入射下单向向右激发SPPs。

3.如权利要求2所述的偏振可控的定向表面等离激元激发装置，其特征是，在太赫兹波段，采用亚波长的金属狭缝结构作为偶极子SPPs辐射源，对于线偏振光入射：

由公式(2)可知，当δ＝0时，E_in表示一束偏振方向角为的线偏振光，其被分解为两束振幅相等相位分别为和的RCP和LCP分量，SPPs激发单元D₁和D₂需满足振幅比|C₂|/|C₁|＝A_RCP/A_LCP＝1，相位差ψ₂-ψ₁＝±π/2，取相位差ψ₂-ψ₁为-π/2，公式(3)被化简为：

所以当L与满足时，n为整数，向左和向右激发的SPPs分别发生相干相长和相干相消，即单向向左激发SPPs；当满足时，向左和向右的SPPs分别发生相干相消和相干相长，即单向向右激发SPPs；对于一个DP₁与DP₂之间的距离L固定的SPPs耦合器，当入射线偏振光的角度为时，单向向左激发SPPs；当入射与其正交的线偏振光，即角度为时，单向向右激发SPPs；因此，通过调整L与的关系，就能够实现任意正交偏振光入射下的可切换单向SPPs激发。