對(duì)新型空間結(jié)構(gòu)光場(chǎng)的探索與調(diào)控是當(dāng)前光學(xué)領(lǐng)域的前沿研究熱點(diǎn)之一,以理想的方式控制光場(chǎng)的相位和偏振是光場(chǎng)調(diào)控的關(guān)鍵。超表面由空間非均勻各向異性微納結(jié)構(gòu)組成,在與光相互作用的過程中顯現(xiàn)出強(qiáng)烈的自旋-軌道相互作用而產(chǎn)生空間變化的光學(xué)響應(yīng),這使得超表面能夠在亞波長尺度內(nèi)有效調(diào)控電磁波的偏振和相位。通過改變超表面單元結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)角度、幾何形狀、大小和尺寸可以簡單靈活地實(shí)現(xiàn)對(duì)光場(chǎng)的激發(fā)、傳輸與空間分布的調(diào)制。目前超表面的各種重要應(yīng)用包括寬帶消色差超透鏡、全息、高效偏振器件、渦旋和矢量光束產(chǎn)生器件等,具有優(yōu)于傳統(tǒng)光學(xué)器件的現(xiàn)象和功能。晶格光場(chǎng)是具有周期性分布的結(jié)構(gòu)化勢(shì)場(chǎng),最初用來捕獲和囚禁超冷原子以實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)原子的操控。隨著科技的發(fā)展,晶格光場(chǎng)被應(yīng)用于光子晶體光刻、微流體分選、超分辨顯微等多個(gè)研究領(lǐng)域。此外,將渦旋特性與傳統(tǒng)晶格光場(chǎng)相結(jié)合形成具有周期性相位奇異的二維晶格光場(chǎng)引起了科學(xué)界的廣泛關(guān)注,相比于沒有螺旋相位變化的晶格光場(chǎng)具有更大的應(yīng)用前景。利用超表面產(chǎn)生拓?fù)鋺B(tài)可調(diào)的亞波長晶格光場(chǎng)可以極大簡化光學(xué)系統(tǒng)的體積,并可能應(yīng)用于經(jīng)典物理和拓?fù)涔庾訉W(xué)等領(lǐng)域。矢量光場(chǎng)是一種新型的結(jié)構(gòu)化光場(chǎng),在攜帶有軌道角動(dòng)... 

【文章來源】：山東師范大學(xué)山東省

【文章頁數(shù)】：127 頁

【學(xué)位級(jí)別】：博士

【部分圖文】：

(a)萊克格斯杯；(b)亞波長金屬孔陣列的異常透射[10]

山東師范大學(xué)博士學(xué)位論文2今，SPPs作為微納光子學(xué)的重要基礎(chǔ)在生物、材料、能源、信息等領(lǐng)域具有一系列重要的應(yīng)用，主要包括納米功能器件設(shè)計(jì)[11]、LSP共振增強(qiáng)表面拉曼散射[12]、生物傳感器[13]、太陽能電池[14]和超高分辨成像[15]等。1.1.1表面等離激元的基本特性表面等離激元（SPPs）是金屬表面電子在外界入射電磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生的集體電偶極振蕩，是一種沿著金屬/電介質(zhì)分界面?zhèn)鞑サ碾娮邮杳懿╗16]。如圖1.2所示，在半無限大金屬和電介質(zhì)分界面（xy平面）處，電位移矢量D（D=ε0εmE）的法向分量連續(xù)，其中，ε0為真空介電常數(shù)，εm為金屬的相對(duì)介電常數(shù)。由于介質(zhì)（空氣）的介電常數(shù)為正數(shù)（ε0>0）且金屬的介電常數(shù)（實(shí)部）為負(fù)數(shù)（Re(εm)<0），電場(chǎng)的法向分量不連續(xù)，導(dǎo)致界面上產(chǎn)生表面極化電荷分布。SPPs在金屬/介質(zhì)表面處電場(chǎng)強(qiáng)度最強(qiáng)，并在垂直于界面的方向上呈現(xiàn)指數(shù)衰減，因此SPPs是一種倏逝波，并沿著介質(zhì)空間與金屬空間之間的二維平面（z=0）向前傳播。圖1.2沿金屬/介質(zhì)分界面?zhèn)鬏數(shù)腟PPs示意圖[11]。下面結(jié)合麥克斯韋方程及邊界條件計(jì)算SPPs的場(chǎng)分布和色散關(guān)系。金屬界面可傳播的電磁波分為兩類：橫電偏振波（TransverseElectric,TE）和橫磁偏振波（TransverseMagnetic,TM）。對(duì)TE波來說，其電場(chǎng)只有z分量（Ez）而無法誘導(dǎo)表面極化電荷，因此SPPs只存在TM模式，只有Ex,Ey分量和Hz分量[16]。由亥姆霍茲方程（220E+kεE0=）可得：

山東師范大學(xué)博士學(xué)位論文40,mdmdkεεβεε=+(1-6)根據(jù)公式（1-6），可以得到SPPs的色散曲線。如圖1.3所示，虛線表示光波在空氣中的色散曲線，實(shí)線為空氣/銀界面處SPPs的色散曲線。在同一頻率下，SPPs的波矢大于光在真空中的波矢（β=ksp>ko）。因此實(shí)際激發(fā)SPPs需要有特殊的方式，這會(huì)在后面的內(nèi)容對(duì)此進(jìn)行討論。圖1.3空氣/銀界面處SPPs的色散曲線。與SPPs傳播和局域性質(zhì)相關(guān)的四個(gè)特征長度：SPPs的波長spp、SPPs的傳播距離Lsp、SPPs在金屬中的縱向穿透深度m，以及SPPs在介質(zhì)中的縱向穿透深度d是研究表面等離激元的基礎(chǔ)及重要考量因素。由色散公式（1-6），可得SPPs的波長：spp02Re[]Re[]Re[]Re[]Re[]mdmdπεελλβεε+==(1-7)由上式可知：SPPs的波長spp小于入射光波長0，表明了SPPs具有亞波長特性。定義SPPs傳播長度為：當(dāng)SPPs的強(qiáng)度下降到初始值的1/e時(shí)，SPPs沿金屬/電介質(zhì)分界面（xy方向）可傳輸?shù)木嚯x，其表達(dá)式為：12Im[]SPLβ=(1-8)在可見光和近紅外光頻段，SPPs的傳播距離約為10-100m。SPPs在金屬中的穿透深度m指SPPs波在金屬一側(cè)沿垂直于金屬/介質(zhì)界面的方向上（z方向）傳播時(shí)，SPPs波場(chǎng)的振幅衰減到初始振幅的1e時(shí)的傳播深度，可以表示為：

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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博士論文
[1]等離激元超表面的矢量光場(chǎng)產(chǎn)生和軌道角動(dòng)量控制研究[D]. 張玉芹.山東師范大學(xué) 2019
[2]金屬納米縫表面等離子體激元激發(fā)和光場(chǎng)圖樣形成的實(shí)驗(yàn)研究[D]. 李杏.山東師范大學(xué) 2015



本文編號(hào)：3328375