[論文レビュー] Excitation of Surface Plasmon Polaritons by Diffraction-Free and Vector Beams

Mbaye Diouf, Joshua A. Burrow+4 more|arXiv (Cornell University)|May 19, 2022

Plasmonic and Surface Plasmon Research参考文献 37被引用数 11

ひとこと要約

本稿では、リソグラフィー加工や周期的な段差を必要とせず、回折自由でベクトルビーム（特にベッセル・ゴウス、ライトシート（LS）、空間時間（ST）波パケット）を用いて表面プラズモン極性波（SPPs）を励起することを示している。空間的に変化する偏光状態を符号化することで、入射ビームの空間的分布に従うSPPsを実現し、ST-LSビームでは数cmのスケールで長距離伝搬を達成した。また、平面的Ag/ガラス界面における遠方領域の漏れ放射顕微鏡法により、強い偏光および空間モード選択性が確認された。

ABSTRACT

Surface plasmon polaritons (SPPs) are traditionally excited by plane waves within the Rayleigh range of a focused transverse magnetic (TM) Gaussian beam. Here, we investigate and confirm the coupling between SPPs and two-dimensional Gaussian and Bessel-Gauss wave packets, as well as one-dimensional light sheets and space-time wave packets. We encode the incoming wavefronts with spatially varying states of polarization then couple the respective TM components of radial and azimuthal vector beam profiles to confirm SPP polarization-correlation and spatial-mode selectivity. Our results do not require material optimization or multi-dimensional confinement via periodically corrugated metal surfaces to achieve coupling at greater extents. Hereby, outlining a pivotal, yet commonly overlooked, path towards the development of long-range biosensors and all-optical integrated plasmonic circuits.

研究の動機と目的

• ガウスビームを超える非伝統的波面、例えばベッセル・ゴウス、ライトシート、空間時間波パケットを用いたSPP励起の検討。
• 径方向および方位角方向に偏光したベクトルビームを用いたSPP励起における偏光および空間モード選択性の調査。
• 材料最適化や周期的段差を用いずに、長距離SPP伝搬を実現し、バイオセンシングおよび統合プラズモニクス分野への応用を可能にする。
• 遠方領域の漏れ放射顕微鏡法により、SPPが励起場の空間的および偏光的特性をどのように引き継ぐかを検証すること。
• 平面的金属-誘電体界面に、設計された光ビームを用いてSPP応答を形状化するシンプルでスケーラブルな手法を確立すること。

提案手法

• 798.4 nmのフェムト秒レーザーを用い、30-nmのAg膜をガラス上に形成したKretschmann設定を採用。全内反射により励起。
• アキソンレンズを用いてベッセル・ゴウスビームを生成。1次元のライトシートは機械的スリットおよび1次元の円筒レンズを用いて作成。
• 空間周波数および空間的エンジニアリングを用いて、伝搬不変性および自己修復性を達成する空間時間（ST）ライトシートを合成。
• 半波長板およびボルテックス波長板を用いて、径方向／方位角方向のベクトルビームの偏光状態を制御・生成。
• 5×の望遠レンズおよびCMOSカメラを用いた漏れ放射顕微鏡法によりSPPをイメージング。スペクトル解析にはファイバー結合型スペクトロメータを用いた。
• 遠方領域の角度スペクトルおよびSPPの散乱パターンを測定し、SPP励起における空間的および偏光的相関を確認。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SPPは、ガウスビーム以外の非ガウス的で回折自由なビーム（例：ベッセル・ゴウス、空間時間波パケット）によって、効率的に励起可能か？
• RQ2 ベクトルビームの空間的および偏光的構造は、SPP励起および伝搬特性にどのように影響を与えるか？
• RQ3 特にST波パケットの場合に、SPPは励起ビームの空間的プロファイルをどの程度まで延長できるか？
• RQ4 リソグラフィー加工や周期的段差を用いずに、長距離で伝搬不変性を示すSPPを生成可能か？
• RQ5 TM偏光および位相一致は、異なるビームタイプにおけるSPP励起効率を決定づける要因として果たす役割は何か？

主な発見

• ベッセル・ゴウス、ライトシート（LS）、空間時間（ST-LS）波パケットによってSPPが効果的に励起され、SPPの強度プロファイルが入射ビームの空間分布に密接に従った。
• ST-LSビームにより、SPPは数cm（測定で最大8 cm）の長距離を伝搬し、長距離で回折自由な挙動を示した。
• 径方向および方位角方向に偏光したベクトルビームは、偏光に相関する空間的パターンを有するSPPを生成し、強い空間モード選択性が確認された。
• 長距離伝搬においてもSPPに顕著な空間的拡散が認められず、ST-SPPの伝搬不変性に関する理論的予測が実証された。
• リソグラフィー加工や多次元的閉じ込めを一切用いずに、ビーム形状制御および偏光制御に依存するSPP励起が実現された。
• スペクトル帯域幅 ∆λ = 2 nm、空間帯域幅 ∆kx = 18 rad/mm、スペクトル不確実性 δλ = 50 pm が測定され、安定したST波パケット伝搬の条件が確認された。