太赫兹超聚焦棱镜的仿真与实验

通过FDTD法来进行数值仿真,以证明设计的结构可以实现一个高效的超聚焦功能。我们在数值仿真中,选择金作为金属材料。金属金在太赫兹波段的光学特性可以利用一个Drude模型来进行表征,具体参数见上一小节。

下面是一个单匝情况下的仿真。仿真结果显示,可以获得一个半高宽仅为0.38λ的超聚焦点(图7-11)。焦点的位置距离SPL表面623μm。

我们将单匝SPL与螺旋线缝隙PL的聚焦在不同偏振态的入射光照射下进行了对比,可以得到我们设计的SPL具有更高的聚焦强度。仿真时,我们保持各个参数都相同,以保证结果的可信度。在相同的工作波长时,使用右旋圆偏振光和线偏振光分别通过我们设计的SPL和传统SPL,将所获得的聚焦强度进行对比。通过计算可以得出,我们设计的SPL聚焦强度提高了近4倍,从而成功地实现了高效超聚焦的效应(图7-12)。

此外,可以通过增加匝数的方式,使聚焦强度可以根据不同的匝数变化进行调控。通过仿真证明,增加匝数的个数,可以使得聚焦强度不断增强。虽然随着匝数的增加,聚焦强度可以不断增强,但是这并不是意味着匝数一直增加,强度可以一直增强。我们发现当匝数增加到第7匝时,出现了一个强度的最大值,从第8匝开始,强度开始下降,这是由于SPPs在金属表面传播时,随着距离的不断增加会出现损耗(图7-13)。

图7-11

(a)右旋圆偏振光经过装置在x-z截面的聚焦强度分布图;(b)(c)距离SPL表面623μm的焦点处的电场强度沿y方向和z方向的分布图,半高宽为0.38λ

图7-12

(a)我们设计的SPL与螺旋线缝隙PL的聚焦强度对比;(b)我们设计的SPL与传统SPL在线偏振光和右旋圆偏振光两种入射光下的聚焦强度对比

我们通过实验验证了SPL实现超聚焦效应的可行性,搭建了基于近场探针测量的时域光谱系统。近场探针是一种微型的光导天线,针尖尺寸为20μm,用于测量近场范围内微米大小区域的电磁场能量,扫描探针获取近场电磁场分布。

图7-13　多匝SPL的聚焦强度与匝数的关系[图(a)对应于图(b)中匝数为2的情况](www.xing528.com)

大赫兹近场扫描系统光路如图7-14所示。激光器发出飞秒脉冲激光,通过分束片后分成探测光和泵浦光。探测光耦合进入光纤,从光纤另一头出射聚焦到探针针尖,光纤一头与探针固定在同一平台同时移动;泵浦光聚焦到THz源上,产生太赫兹信号,反射到抛物面镜上准直为平行光,辐射至样品上。最终,探测光与THz信号同时到达探针针尖,探测太赫兹信号。

图7-14　太赫兹近场扫描系统光路示意图

太赫兹源发射的是线偏振光,通过旋转1/4波片来改变入射光的偏振态。当入射光偏振方向与1/4波片分别成-45°、-22.5°、0°、22.5°、45°时,偏振态变成左旋圆偏、左旋椭偏、线偏、右旋椭偏、右旋圆偏,其在x-z平面内能量分布的仿真结果和实验结果如图7-15所示。从左旋圆偏光到右旋圆偏光,焦点的能量从无到有逐渐增强。仿真结果与实验结果相比较,光斑形状以及能量分布基本一致,这证明了通过调控入射光的偏振态,达到了使聚焦光斑连续可调的效果。

图7-15

x-z平面内能量分布的仿真结果和实验结果,仿真结果:左旋圆偏(a)、左旋椭偏(b)、线偏(c)、右旋椭偏(d)、右旋圆偏(e),实验结果:左旋圆偏(f)、左旋椭偏(g)、线偏(h)、右旋椭偏(i)、右旋圆偏(j____________________________________________________________________________________)

为了进一步查看聚焦光斑尺寸大小是否突破衍射极限,提取了经过焦点沿x轴、y轴方向的能量分布。图7-16为沿x轴方向和y轴方向焦点的能量分布的仿真结果和实验结果,半高宽大小依次为339μm[图7-16(a)]、335μm[图7-16(b)]、337μm[图7-16(c)]、325μm[图7-16(d)],入射太赫兹波的波长为880μm,对应的聚焦光斑的能量半高宽为0.385λ、0.381λ、0.383λ、0.358λ,半高宽比都在0.38λ附近,突破了衍射极限。这种超聚焦效应可用于超分辨成像的研究。

图7-16

沿x轴方向焦点的能量分布的仿真结果(a)和实验结果(c),沿y轴方向焦点的能量分布的仿真结果(b)和实验结果(d)

综上所述,由于传统的实现超聚焦的等离子体透镜存在设计复杂、透射率低、聚焦效率低的缺陷,抑制了太赫兹超聚焦透镜的发展。本节结合一种具体的太赫兹超聚焦透镜,对它们的整个设计、原理、模拟、分析和验证都进行了细致的阐述,这也对设计其他太赫兹超聚焦透镜具有积极促进作用。