等离激元矢量光场与二维材料相互作用及器件研究

Surface plasmon polariton (SPP) has wide applications due to its field confinement ability and sub-wavelength feature. It is promising that SPP can overcome the diffraction limits of traditional photonic devices, and is regarded as the next generation platform for information processing. We propose this project to investigate the vector properties of near-field electromagnetic modes tailored by metallic nanostructure and the mechanism of the interaction between SPP and graphene or other two-dimensional (2D) materials in the near-field domain. We investigate the principles of spin-orbit coupling and interaction with graphene by introducing circular polarized light or vortex beam. We explore the dynamical interaction between different polarizations and graphene by using dielectric-loaded plasmonic waveguide. Focus ion beam (FIB) will be taken as the major method to fabricate nanostructures on the metal surface. Leakage radiation microscope (LRM) assisted with other optical means will be used to observe SPP. We will focus on the influences of different metallic nanostructures on the near-field modes of SPP. By optimizing the nanostructure we will increase the parallel component of SPP, to enhance the interaction of SPP with 2D materials and construct some functional optoelectronic devices. Moreover, the classical near-field interference of SPP will be extended to quantum optical level. Loss may also be harnessed as a new quantum resource to control two-photon interference. By taking advantage of transverse electric mode and transverse magnetic mode accommodated in the dielectric-loaded plasmonic waveguide, different interference phenomena may be studied, which can inspire new plasmonic multiplexing devices.

表面等离激元（SPP）具有强局域、亚波长的特性，有望突破传统光子器件衍射极限的限制，给它带来了丰富的应用，是个被广泛看好的下一代信息处理的载体。本项目的立足点就是研究SPP近场尺度下受金属微纳结构调控的矢量性质以及与石墨烯及其他二维材料相互作用的机理。引入圆偏振或涡旋光束，深入研究其中轨道自旋耦合及与石墨烯作用的规律，结合介质加载金属波导，探究不同偏振光与石墨烯相互作用的动力学问题。实验上采取以聚焦离子束为主的纳米加工手段，利用泄漏模显微镜系统和其他光学手段观测SPP。重点研究不同金属微纳结构对SPP近场模式的影响，通过结构的优化构造更多的平行金属表面的SPP模场分量，增强与二维材料的相互作用，并在此基础上构建相关的光电器件。最后将SPP经典的近场干涉效应推广到量子体系中，将损耗作为调节量子干涉的新手段，同时研究介质加载波导横电/横磁模式丰富的干涉效应，为构建SPP模分复用器件提供思路。

表面等离激元（SPP）是一个被约束在二维平面的电磁谐振模式，它的近场模式易于受微纳结构的形貌调控，具有强局域、亚波长、突破衍射极限的特性，是个被广泛看好的作为提升相互作用的载体。本项目的立足点是研究SPP近场尺度下受金属微纳结构调控的矢量性质以及与石墨烯及其它二维材料相互作用的机理。研究内容主要分为两个部分，第一部分是研究表面等离激元近场矢量光场受到单金属微纳结构、金属超构阵列或者杂化等离激元波导调控的机理，涉及到近场等离激元模式构建以及近/远场光束传播行为的调控。在第一部分的基础上，第二部分开展了近场等离激元模式和材料相互作用的研究，重点研究了基于杂化表面等离激元纳米线狭缝模式和石墨烯的相互作用。具体内容包括：（1）基于幺正/非幺正分束器的表面等离激元干涉研究，揭示了杂化SPP模式受波导体系的调控和干涉效应；（2）表面等离激元偏振旋转和可调谐偏振器设计，推广了马吕斯定律并实现了高性能偏振片和偏振旋转器；（3）基于金属等离激元超构阵列的高Q共振研究，研究了不同金属微纳结构模场特点和高Q共振；（4）杂化等离激元波导光场矢量性质及与石墨烯相互作用的机制研究，考察了近场模式局域度和偏振度对相互作用的影响并设计了高性能调制器。通过本项目的研究，我们揭示了近场模式受微结构调控的机理，重点关注了局域和偏振属性，为提高材料相互作用提供了有力的理论依据，为二维材料参与的动态光子器件设计拓宽了思路。