纳米缝调控表面等离子体激元矢量光场图样的研究

The study on vector light field manipulations of surface plasmon polariton (SPP) is a frontier topic in nano-photonics. The light wave excitation by nano-structures and its effect in polarization state conversion are the key factors. This project focuses on the manipulations of vector light field patterns of SPP. From the interference patterns of light waves of plasmonc and photonic modes excited by L-shaped nanoslits, the parameters and the polarization effects of waves of both modes can be acquired. We will construct the Huygens-Fresnel principle of vector form to describe the interference of the excited waves. We will study the vector wavefield patterns and their evolutions generated by ring-slits, and the engineering of asymmetric hexagons for optical lattice formations. Using the complementary illuminations with spatial-light-modulator, we plan to realize the manipulations of the polarized specific light field patterns. By arranging the small-slit arrays, we schedule to implement the generation of radially polarized patterns. The work of this project may have potential applications in areas as optical manipulations of SPP, subwavelength microscopy and optical nano-device engineering.

表面等离子体激元矢量光场操控是纳米光子学的前沿课题，纳米结构的光波激发及偏振态效应是操控实现的关键因素。本项目拟采用散射显微成像的测量方法开展纳米缝调控表面等离子体激元矢量光场图样的研究。通过L-缝结构激发的等离子体模式和光子模式光波的干涉，获取两模式光波参数和偏振效应，建立描述光波干涉的矢量形式惠更斯-菲涅耳原理。研究圆环纳米缝激发的矢量光场图样及其演化；研究产生亚波长格子的非对称多边形缝设计；通过空间光调制器补偿照明实现特定偏振光场图形的产生；通过小单元缝阵列分布实现面内径向偏振光场图形的操控。本项目的研究对于表面等离子体激元光学操控、亚波长显微、纳米光学器件的设计等有潜在的应用前景。

光场操控是光科学技术的重要前沿领域，而微纳尺度上光场操控是光场操控的核心领域之一。本项目在对金属纳米缝结构及其超表面产生的等离激元光场进行研究的基础上，重点对微纳矢量光场和轨道角动量及其叠加态光场图样产生及相应的超表面设计开展研究，取得了一系列有重要创新的研究成果。. 首先对L-形缝结构的等离激元模式和光子模式光场进行了研究，在任意缝结构激发SPP光场干涉的矢量惠更斯-菲涅尔原理方面取得结果，建立了马赫-曾德尔干涉仪的显微干涉实验系统对等离激元光场进行测量。采用纳米缝或纳米缝对结构及其超表面，在矢量光场产生、光学晶格场产生和轨道角动量叠加态产生等方面开展了系统深入的研究工作。主要包括：设计了间隔四分之一波长光程差的正交缝对超表面，在圆偏振光照明的条件下，利用缝元结构的偏振转换效应，使光场的竖直和水平分量场合成为径向偏振光场，实现矢量光场的产生。利用线偏振光照明，通过螺旋线的传播相位补偿正交缝对超表面的几何相位产生径向矢量涡旋光束。设计了二分之一波长光程差的正交金属纳米缝对，排列在经裁剪的螺旋线段上设计的超表面结构，产生了转换自旋的圆偏振纳米尺度光学涡旋列阵格子场。利用分段螺旋线上排列的均匀转动矩形纳米缝构成的超表面，以及传播相位与几何相位相的结合，实现了表面等离激元场的两个近场轨道角动量态的任意叠加等。. 本项目发表标注SCI论文24篇，其中一区SCI论文2篇（Adv. Opt. Mater.(IF 7.125)和Nanoscale(IF 6.970)各1篇），二区论文8篇（Opt. Lett. 1篇，Opt. Express 5篇，New J. Phys. 2篇）。. 本项目取得的成果对微纳光学的超表面原件设计、微纳光学操控、传统和量子通信，量子信息等基础和应用领域设计具有重要意义。