金属/介质微纳结构中表面等离激元衍射动力学研究

本课题针对金属表面等离激元（SPP）这一独特的表面波在二维平面内传播的衍射性质开展深入的理论和实验研究。旨在将传统的光学衍射理论、晶体中X射线衍射动力学理论以及光子能带理论拓展至复杂人工微纳结构的SPP衍射效应中。实验上采取以聚焦离子束为主的纳米加工手段在金属表面制备微纳结构，利用泄漏波显微镜系统和其它光学手段研究SPP的传播与衍射性质。重点探讨不同的纳米阵列结构（特别是非周期结构）对SPP衍射的相位调制以及对新型衍射波束形态的构建与控制；发展针对SPP受任意阵列结构调控的衍射动力学理论；探索具有纳光子集成功能特性的新颖结构设计。在此基础上，本项目还将考察SPP衍射波束与介质/金属混合型波导的有机结合并尝试拓展至金属/非线性介质中，探索SPP衍射与导波效应的非线性调控方式，为今后开发新型的纳光子学器件和光子集成元件提供理论指导和技术基础。

本项目主要针对金属中等离激元（SPP）表面波在平面内传播衍射性质开展系统研究，旨在将传统的光学衍射理论、晶体中X衍射动力学理论以及光子晶体能带理论和局域相位匹配理论拓展到SPP表面波体系中，对SPP波束以及近场特性进行调控。研究计划要点着重研究金属表面的非简单周期结构对SPP波在面内面外的衍射特性；研究SPP与波导模式以及空间光场模式之间的转换特性；研究等离激元波导阵列中SPP离散衍射特性。经过近四年对本项目的认真执行和系统研究，我们取得了一系列创新性的研究成果，总结如下：1）通过SPP在非周期阵列中的面内衍射，发展了非完美匹配布拉格衍射方法实现SPP相位调控，以及利用相位设计实现SPP波束调的方法，成功实现了无衍射自弯曲的SPP艾里波束、SPP准直波束、SPP宽带聚焦及波分复用；2）将SPP相位调控用于空间衍射光场的调控和偏振调控中，通过对金属表面SPP的衍射操控成功实现了空间艾里波束、空间动态偏振调控和空间任意多偏振态的产生；3）将SPP衍射动力学特性拓展到波导阵列系统中，针对波导中的SPP离散衍射行为发现了光场的界面拓扑态及其色散和传播调控。这些结果揭示SPP在面内和面外的衍射动力学基本物理特性，为SPP的波束调控、偏振调控以及全息技术提供了指导意义，同时丰富了多自由度光子调控的原理和途径（这正成为当前微纳光子学领域的热点）。相关成果共发表SCI论文14篇（其中包含Phys Rev Lett 2篇，Laser Photon Rev 2篇，Light Sci Appl 1篇，Nano Lett 1篇，Sci Rep 1篇）。受本项目支持，承担人受国际会议以及国际相关学术单位邀请做邀请报告或专题讲座16人次。