光学缝隙天线对表面等离激元激发和辐射的调控及其应用研究

The control of surface plasmon polaritons (SPPs) which is beyond the diffraction limit has been one of the research hot spots in the nanophotonics field recently. This porject studies the control of SPP excitation and radiation by using the optical slot antennas (metal nanoholes) and antenna arrays. The project is composed of the following parts: study on the control of SPP resonance of a single slot antenna or slot antenna arrays by changing antenna structures and sizes and realize unidirectional SPP launching based on the interference or coupling between different slot antennas; study on the phase, direction and polarization properties of SPP radiation by the optical slot antennas and realize the control of direction and polarization states of SPP radiation; study on the influence of the surrounding medium on the SPP launching and radiation and realize the electric or optic modulation of SPPs and the refraction index sensing by changing the refraction index of the surrounding medium. Research carried out in this project will provide new methods of controlling SPPs by using the optical slot antennas and antenna arrays and pave a new way for the applications of SPPs in nanophotonics and integrated optics.

利用表面等离激元(SPP)可以获得超衍射极限的光场的调控，是目前纳米光子学领域的一个研究热点。本项目研究利用光学缝隙天线（缝隙型金属纳米结构）和天线阵列实现对SPP的光激发和辐射的调控。通过改变结构参数调控单个或多个缝隙天线的SPP共振特性，利用天线之间干涉和耦合机制实现SPP的单向激发；研究SPP经光学缝隙天线辐射的相位、方向和偏振特性，实现对SPP辐射的方向和偏振的调控；研究光学缝隙天线结构周围的介质环境对SPP的激发和辐射的影响，通过改变介质折射率对SPP的激发和辐射进行电或光调制，并研究实现折射率传感功能。通过本项目的研究将揭示光学缝隙天线和天线阵列对SPP激发和辐射的调控机理，为SPP在纳米光子学和集成光学中的器件化应用提供新机理和新方法。

表面等离激元（SPP）是一种沿金属与介质界面传播的电磁场，因其高度的场局域特性和场增强特性，有望应用于下一代集成光学和纳米光子学。SPP与光的相互转化是SPP研究中的重要问题。光学缝隙天线由金属膜的缝隙结构组成，能实现光与SPP的相互转化。本项目研究了光学缝隙天线在SPP激发和辐射方面的应用，即利用由各种结构组成的缝隙天线实现SPP的定向激发和辐射。我们具体研究了利用L型缝隙天线实现横电（TE）波与SPP的相互转化，突破了SPP的横磁（TM）波特性的限制，为在纳米尺度下操控光场提供了更高的自由度以及更充分的利用激发光场中的TE分量能量。我们研究了处于耦合状态下的两个不等长矩形缝隙天线组成的天线对在SPP单向激发方面的应用，结果表明对于金属膜面内横向和纵向尺寸分别只有170nm和260nm的耦合非对称光学缝隙天线对，SPP单向激发的消光比可以达到246。我们的结构尺寸小、工作波长可调谐，有望应用于下一代集成光子回路中。我们还研究了利用非对称矩形天线对实现SPP偏振分束器，对于两个偏振方向相互垂直的入射线偏振光，实现两个相反方向的SPP单向激发。我们在实验上获得了在160nm带宽范围内消光比大于5dB，以及在入射波长为790nm处，消光比达到12dB。我们提出了这种SPP偏振分束器具有尺寸小带宽宽，在集成光学和纳米光子学中有很好的应用。