[論文レビュー] Exciting of surface plasmon polaritons in the Kretschmann configuration

A. P. Vinogradov, A. V. Dorofeenko+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 17, 2017

Plasmonic and Surface Plasmon Research参考文献 3被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、全内部反射を超える角度で入射する平面波が、Kretschmann設定において表面プラズモン極性波（SPP）を励起するとされる従来の理解に挑戦する。SPPの励起は、実際には狭帯域の角度分布を持つ平面波ビームが用いられた場合にのみ発生し、その際、反射成分の干渉によってSPPの波数を持つ漏れ波が形成され、単一の臨界角ではなく、複数の角度で励起が可能になることを示している。

ABSTRACT

We consider a possibility of an excitation of surface plasmon polaritons in the Kretschmann configuration. Contrary to common belief, we show that a plane wave incident at an angle greater than the angle of total internal reflection does not excite surface plasmon polaritons. These excitations do arise, however, if the incident light forms a narrow beam composed of plane waves. As a result of interference of reflected plane wave components, an inhomogeneous (leaky) wave is formed at the edge of the beam. This wave has the wavevector of the surface plasmon polariton if angle of incidence of the beam coincides with the angle at which the minimum of reflection for the plane wave is observed. Since the beam is composed of many plane waves, this condition is satisfied not for just a single angle but for angles over an interval.

研究の動機と目的

• 表面プラズモン極性波（SPP）がKretschmann設定でどのように励起されるかを再検討すること。
• 臨界角を超える角度で入射する平面波によるSPP励起に関して、一般的な認識と物理的実態の矛盾を解消すること。
• ビームの角度スペクトルと干渉の役割がSPP励起にどのように寄与するかを明確にすること。
• 漏れ波の形成を通じてSPPが励起される正確な角度条件を特定すること。

提案手法

• さまざまな入射角を持つ複数の平面波からなる狭帯域ビームの反射を分析する。
• ビームを平面波成分の重ね合わせとしてモデル化するために角度スペクトル分解を適用する。
• 反射平面波成分間の干渉効果を評価し、ビーム端縁に不均一（漏れ波）な波を形成する。
• 漏れ波の波数が表面プラズモン極性波の波数と一致する条件を特定する。
• 個々の平面波の最小反射角を、SPP励起の指標とする。
• SPP励起が、単一の臨界角ではなく、ビームの角度幅に応じた連続的な角度範囲で発生することを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Kretschmann設定において、臨界角を超える角度で入射する単一の平面波が表面プラズモン極性波を励起できるか？
• RQ2 このような角度で入射する平面波がSPPを励起できない場合、どのような物理的メカニズムがSPP励起を可能にするか？
• RQ3 狭帯域ビームの角度スペクトルが、SPP波数を持つ漏れ波の形成にどのように影響するか？
• RQ4 実験的に観察されるSPP励起が単一の角度ではなく、複数の角度にわたって観測されるのはなぜか？
• RQ5 反射平面波成分間の干渉が、SPP励起を可能にする役割を果たすのはどのような点か？

主な発見

• 一般的な認識とは異なり、臨界角を超える角度で入射する単一の平面波ではSPP励起は発生しない。
• 複数の平面波からなる狭帯域ビームが、反射成分の干渉によってSPP励起を可能にする。
• 干渉によってビーム端縁にSPPの波数と一致する波数を持つ漏れ波が生成される。
• SPP励起の条件は、単一の角度ではなく、ビームの角度幅に対応する連続的な角度範囲で満たされる。
• ビームに含まれる個々の平面波の最小反射角が、SPP励起の開始を示す。
• ビームの有限な角度幅のおかげで、SPPは複数の入射角度で励起され、実験的観察されたバンド幅広いSPP励起を説明できる。