表面等离激元任意动态光场调控及应用研究

In order to solve the problems in recent research that surface plasmon polaritons(SPPs) fields could not be excited and modulated arbitrarily and dynamically, we plan to do the research on arbitrarily and dynamically exciting and modulating SPPs fields based on the theory basic of Fourier transform or Rayleigh-Sommerfeld diffraction and the application of liquid crystal spatial light modulator. And then we plan to carry out its application research on the plasmonics tweezers to capture metallic nanoparticles. The project includes: (1) studying the initial conditions of complex amplitude distribution for exciting the arbitrary SPPs fields, building the theoretical model and Numerical calculation model; (2) Studying how to transform the accurate complex amplitude information from liquid crystal plane to metallic sub-wavelength structure by using phase-only liquid crystal spatial light modulator; (3) Building plasmonics tweezers system for manipulating metallic nanoparticles. The studies in this project have great importance not only in the new development of SPPs field modulation, but also in many applications.

针对目前表面等离激元光场无法实现任意而动态的激发与调控，本项目开展以二维平面上的傅立叶变关系或瑞利索末菲衍射为理论基础，以液晶空间光调制器为调控手段的表面等离激元任意动态光场的激发与调控研究。进而拓展其在表面等离激元光镊技术上的应用，实现对金属纳米颗粒的捕获。研究内容包括：（1）研究表面等离激元任意光场激发所需要的初始复振幅分布条件，建立理论算法框架与数值计算模型；（2）研究如何通过纯位相型液晶空间光调制器实现从液晶面到金属亚波长结构处的精确复振幅信息传递；（3）建立表面等离激元动态光镊实验系统，实现对金属微小颗粒的任意操控。本项目不仅对表面等离激元光场调控的新发展具有重要价值，而且对表面等离激元的进一步应用具有重要的意义。

针对目前表面等离激元光场无法实现任意而动态的激发与调控，本项目开展以二维平面上的傅立叶变关系或瑞利索末菲衍射为理论基础，以液晶空间光调制器为调控手段的表面等离激元任意动态光场的激发与调控研究。进而拓展其在表面等离激元光镊技术上的应用，实现对金属纳米颗粒的捕获。经过三年的研究工作，项目已经顺利完成并达到了预定的目标，具体完成情况及取得成果包括：（1）理论研究以及算法方面，针对二维平面上的傅立叶正逆变换对以及瑞利索末菲衍射正逆传播关系为基础，完成二维平面内光场可逆算法的公式推导，基础算法与迭代算法的开发工作。（2）数值仿真方面，使用商用时域有限差分仿真工具完成了相关表面光场激发与调控的数值研究。针于不同材料的光学特性，以及不同微纳米结构的结构参数，优化设计了金属材料，金属膜厚度，金属亚波长结构等重要参数，以实现表面光场的高效激发，完成在宽谱表面光场信息加载与激发的数值仿真计算。（3）实验系统方面，自由空间光场调控与光束整形上，使用液晶空间光调制器结合新型超表面结构，实现对入射光束的信息加，调控与检测。在光束纯化方面，结合可调式法布里珀罗（Fabry-Perot）干涉仪，完成对不同拓扑荷的涡旋光束进行提纯与筛分操作。（4）光镊技术研究方面，以二维表面光场调控技术为基础结合自由空间光场调控技术，设计了新颖的完美径向偏振光束，并以此光场作为表面光场的激发。从理论上和实验上证实这种新型的表面等激元光场激发技术可以强烈抑制直接透射光从而减少散射力，提高表面等离激元光场对金属粒子捕获的稳定性。（5）在相关领域发表SCI/EI收录论文10篇，包括中科院分区1区期刊论文6篇与2区论文3篇，发表期刊包括《Science Advances》，《Photonics Research》,《Nanoscale》等国际知名期刊。培养博士生1名，硕士生2名。本项目的成果对于SPPs光场调制技术与新型动态光镊技术的发展具有重要价值，并对新型表面波光场调控技术与信息处理等领域也有重要的意义。