[发明专利]偏振可控的定向表面等离激元激发装置

说明书

本发明涉及金属‑介质界面上表面等离激元激发技术，为实现在任意偏振光入射下实现SPPs的定向激发，打破SPPs激发方向和入射光偏振方向间相对关系的局限性，并且提升调控能力，本发明，偏振可控的定向表面等离激元激发装置，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。本发明主要应用于金属‑介质界面上表面等离激元激发场合。

技术领域

本发明涉及金属-介质界面上表面等离激元激发技术，具体涉及偏振可控的定向表面等离激元激发方法。

背景技术

表面等离激元(SPPs)是在金属-介质界面上传播的一种二维形式电磁波，由导体内自由电子与电磁场相互耦合形成，其场沿界面垂直方向上倏逝衰减¹。SPPs波长小于对应自由空间光波长，可以突破衍射极限，实现在亚波长范围对光的限制和操纵。SPPs的以上特性使得其在许多领域有着重要的应用前景，如小型光学电路^2，3、表面传感⁴、非线性光学⁵和数据存储⁶等。激发SPPs是实现这些应用最重要的步骤之一。目前的SPPs激发方法主要分为三类：棱镜激发、光栅激发和缺陷激发⁷。其中，棱镜激发法受限于棱镜较大的几何尺寸，不利于实现集成化SPPs器件。相比而言，光栅和缺陷激发法可以在很大程度上缩小器件的尺寸，但是由于SPPs的横磁波特征，SPPs往往只能被入射光中某个特定偏振方向的波分量激发，且定向激发方向和偏振方向间的相对关系不易控制，使得它们的应用也在很多方面受到限制。超表面的出现和发展为自由地定向激发SPPs提供了一种可靠的实现途径。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在实现在任意偏振光入射下实现SPPs的定向激发，打破SPPs激发方向和入射光偏振方向间相对关系的局限性，并且，当入射偏振变为正交态时，其激发的SPPs传播方向会随之发生反转，进一步提升调控能力。为此，本发明采取的技术方案是，偏振可控的定向表面等离激元激发装置，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。

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；