[논문 리뷰] Exciting of surface plasmon polaritons in the Kretschmann configuration

A. P. Vinogradov, A. V. Dorofeenko외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 07. 17.

Plasmonic and Surface Plasmon Research참고 문헌 3인용 수 3

한 줄 요약

논문은 기존의 이해와는 달리, 총내반사 임계각을 초과하는 각도로 입사하는 평면파가 Kretschmann 구성에서 표면 플라즈몬 폴리톤(SPPs)을 자극할 수 있다는 개념에 도전한다. 연구는 실제로 SPP 자극이 단일 평면파가 아니라, 각도가 좁게 분포된 비추의 경우에만 발생하며, 반사된 구성요소 간 간섭으로 인해 SPP 파수벡터를 가진 누출파(leaky wave)가 형성되어 다양한 각도에서 SPP 자극이 가능하다는 것을 보여준다. 이는 단일 임계각이 아니라 각도의 연속적인 범위에서 발생한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 표면 플라즈몬 폴리톤(SPPs)이 Kretschmann 구성에서 어떤 조건에서 자극되는지 재검토하는 것.
• 임계각을 초과한 각도에서 평면파에 의한 SPP 자극에 관해 일반적인 믿음과 물리적 현실 사이의 모순을 해결하는 것.
• 빔의 각도 스펙트럼과 간섭이 SPP 자극을 가능하게 하는 역할을 명확히 하는 것.
• 누출파 형성이 SPP를 자극하는 정확한 각도 조건을 규명하는 것.

제안 방법

• 다양한 입사각을 가진 다수의 평면파로 구성된 좁은 빔의 반사 특성을 분석하는 것.
• 빔을 평면파 구성요소의 초위상으로 모델링하기 위해 각도 스펙트럼 분해를 적용하는 것.
• 반사된 평면파 구성요소 간의 간섭 효과를 평가하여 빔 가장자리에서 비균일한(누출되는) 파동을 형성하는 것.
• 누출파의 파수벡터가 표면 플라즈몬 폴리톤의 파수벡터와 일치하는 조건을 규명하는 것.
• 개별 평면파의 최소 반사 각도를 SPP 자극의 핵심 지표로 사용하는 것.
• 빔의 각도 분포로 인해 SPP 자극이 단일 임계각이 아니라 다양한 각도 범위에서 발생함을 보여주는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Kretschmann 구성에서 임계각을 초과하는 각도로 입사하는 단일 평면파가 표면 플라즈몬 폴리톤을 자극할 수 있는가?
• RQ2 그러한 각도에서 평면파가 SPP를 자극하지 못할 경우, 어떤 물리적 메커니즘이 SPP 자극을 가능하게 하는가?
• RQ3 좁은 빔의 각도 스펙트럼이 SPP 파수벡터를 가진 누출파 형성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 왜 실험적으로 SPP 자극이 단일 각도가 아니라 다양한 각도에서 관측되는가?
• RQ5 반사된 평면파 구성요소 간의 간섭이 SPP 자극을 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 일반적인 믿음과는 달리, 임계각을 초과하는 각도로 입사하는 단일 평면파는 SPP 자극을 일으키지 못한다.
• 다양한 평면파로 구성된 좁은 빔은 반사된 구성요소 간의 간섭을 통해 SPP 자극을 가능하게 한다.
• 간섭으로 인해 빔 가장자리에 SPP 파수벡터와 일치하는 누출파가 형성된다.
• SPP 자극 조건은 단일 각도에서가 아니라 빔의 각도 분포에 해당하는 연속적인 각도 범위에서 만족된다.
• 빔 내 개별 평면파의 최소 반사 각도가 SPP 자극의 시작 시점에 해당한다.
• 빔의 유한한 각도 폭으로 인해 SPP는 다양한 입사각 범위에서 자극되며, 이는 광역 SPP 자극의 실험적 관측을 설명한다.