金属-介质复合全息法及其在表面等离子激元器件设计中的应用

Manipulation of surface plasmon polaritons (SPPs) on metal surface is an important problem in theory and technology. Based on the surface electromagnetic wave holography (SWH) method, the project proposes the metal-dielectric composite holography (MDCH) method to design structures in the dielectric film coating on the metal surface for SPPs manipulations. The designed process and devices via the method appear simple and indicate the method wide application prospects. The project verify the practicability of manipulating the SPP wave through the designed dielectric holograms on the metal surface. Our success can both improve the coupling efficiency of SPP wave manipulation by the designed dielectric holograms and indicates the existing dielectric fabrication methods and hologram fabrication methods being applicable to SPP wave manipulation, even finding batch production method to produce dielectric structures for SPPs manipulation. Based on the powerful design ability of MDCH method, it is applied to design SPP devices, such as realizing a SPP high Q factor cavity with controllable transverse mode and flexible devices designing for vortices SPP beams production.

表面等离子激元控制是其应用中一个重要的理论和技术问题。基于表面全息法，项目提出金属--介质复合全息法，创新的在金属表面的介质上制作全息结构控制表面等离子激元传输。该方法设计器件过程简单，具有广泛的应用前景。项目在理论上验证金属-介质复合全息结构控制表面等离子激元的可行性。项目的成功有重要的意义，一方面能提高全息结构对表面等离子激元控制的耦合效率，另外一方面理论上验证利用现有的成熟介质加工法和全息制作方法来制作结构控制等离子激元传输的可行性，甚至批量生产金属表面等离子激元器件。表面全息法有强大的设计能力，项目将用此方法设计表面等离子激元器件，实现横模可控的高Q值表面等离子激元共振腔和更加灵活的涡旋表面等离子激元器件设计等。

表面等离激元（SPPs）的传播控制在其应用中很重要。目前，主要通过聚焦离子束光刻（FIB）等实验方法在金属表面直接刻蚀结构，控制SPP传输。鉴于介质成熟的加工技术，项目提出了金属-电介质复合全息（MDCH）方法来设计介质结构，控制SPP传播。项目研究凹槽型、折射率型和浮雕型MDCH。. 凹槽型MDCH，将凹槽制作在介质上。利用凹槽与介质部分的折射率差引起的反射再现SPP物波。当凹槽宽度小于40nm或填充介质的折射率限制在一定范围内时，凹槽式MDCH是可行的。此方法能产生较好质量的SPP波束，具有较高的衍射效率。折射率分布型MDCH，将光强分布按一定比例关系转化为介质的折射率分布。设置介质为光折变材料，得到折射率分布型MDCH。在不需要任何刻蚀的情况下制作结构, 折射率分布型MDCH可以控制复杂波面的SPP。在折射率分布型MDCH中，介质的最佳厚度为3.3μm，折射率调制幅度为0.06。浮雕型MDCH法，设计厚度变化的介质层结构，使介质层的厚度分布正比于SPP干涉光强。利用浮雕型全息图可以产生复杂波面的Airy SPP 波束。总之，MDCH方法可以避免FIB实验方法，提供了更多的制作方法，为等离子体器件的大规模批量生产提供可能性。. 项目也研究了微米金属腔中的共振，发现了有趣的共振现象。在8字形腔中，当对称性发生几十纳米的位移破坏时，透射峰会转化为谷。共振腔Q值的变化在转换中起着关键作用。透射对结构对称性的敏感变化可用于控制光与材料的相互作用、光开关以及提高传感器设备的灵敏度。在W形腔中， SPP共振和局域表面等离子体共振（LSPR）被激发。LSPR与SPP共振发生相消干涉，形成局域表面等离子体感应透明（LSPIT）和法诺共振（LSPFR）。LSPIT和LSPFR可用于提高传感器的空间分辨率，在几个纳米尺度上传感颗粒的大小、位置和折射率。在耦合腔中，SPP的谐振模式随着中间挡板厚度的减小而分裂。耦合模的共振波长可以在较大范围内调谐（约644nm）。这与经典的单腔光路调整有很大不同。基于耦合腔共振，设计了一种实现灵活的多波长SPPs路由器件。