高强度超聚焦等离子体棱镜设计：基于螺旋线阵列

前面提出的螺旋线形等离子体透镜,都是在金属膜上刻有螺旋线形的缝隙。虽然它们可以实现线偏振光或者圆偏振光的聚焦效果,但是并不意味着聚焦强度都十分低,并且不能实现可调控。基于SPL我们提出了一种改进方案,具体设计出一种不但可以突破衍射极限而且拥有高强度的聚焦点的太赫兹超聚焦棱镜。

1.结构设计

图7-7为我们设计的基于螺旋线阵列的等离子体透镜装置结构示意图。该装置由两部分组成,第一部分是在一层厚度为500μm的金属膜上刻蚀的由两个相互垂直的矩形缝隙按阿基米德螺旋线轨迹排列而成的螺旋孔径阵列。阵列的轨迹线为

式中,R 0是初始半径;Δ是表面等离子体波长λSPP;θ为极角。其中,阿基米德螺旋线一圈的角度,即θ的变化为2π。

图7-7　我们设计的基于螺旋线阵列的等离子体透镜装置结构示意图

第二部分是在金属膜中心位置刻蚀的一个半径r为200μm、深度h为100μm的圆环浅槽。其他的结构参数为R 0=1 800μm,Δ=648.8,w=100μm,l=260μm,d=315μm,s=157μm。

2.圆槽尺寸的设计

SPL是通过改变中心的同心圆槽来实现聚焦点的调控的。首先,同心圆槽的半径r可以对聚焦点的位置进行调节,随着同心圆槽半径的不断增加,聚焦点的位置也不断地远离器件的表面(图7-8)。但是这同时也会影响聚焦点的半高宽,它会随着r的不断增加而不断变大。其次,同心圆槽的深度h会对聚焦点的强度有一个周期性的影响(图7-9)。(www.xing528.com)

因此,通过参数扫描的方法,为了得到效果最好的超聚焦效应,我们设计的SPL的中心浅槽半径为200μm。但是为了方便在实际实验时的测量,我们设计的中心浅槽的半径为800μm。

3.工作原理

我们设计的SPL的工作原理分为两部分(图7-10):第一部分是螺旋线阵列的汇聚原理。当我们选用偏振态为右旋的圆偏振光从装置的底端入射时,在出射端,表面等离子体波由缝隙边缘激励产生,并且由于该结构具有偏振相关性,使产生的表面等离子体波以高强度驻波的形式沿着金属表面向中心方向汇聚。第二部分是超聚焦的实现原理。设计在中心的浅槽结构使得沿表面传播的表面等离子体波可以有效地向自由空间散射出去。由于在浅槽不同位置散射出去的传播波同相位,使得传播波在光轴方向上干涉增强,从而在出射端远处形成一个明亮的聚焦点,实现高强度的超聚焦效应。

图7-8　同心圆槽的半径对聚焦点位置的影响

图7-9　同心圆槽的深度对聚焦点强度的影响

图7-10　我们设计的SPL的工作原理示意图