[论文解读] 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 11

一句话总结

本文展示了通过无衍射和矢量光束——具体为贝塞尔-高斯光束、光片（LS）和时空（ST）波包——在无需光刻图案化或周期性凹凸结构的情况下激发表面等离子体极化激元（SPPs）。通过编码空间变化的偏振态，作者实现了与输入光束空间轮廓一致的SPP，使ST-LS光束的SPP实现厘米量级传播，且通过平面Ag/玻璃界面的远场泄漏辐射显微镜证实了其强烈的偏振和空间模式选择性。

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.

研究动机与目标

• 探索使用非传统波前（如贝塞尔-高斯光束、光片和时空波包）而非高斯光束激发SPP。
• 研究径向和方位角偏振矢量光束在SPP激发中的偏振和空间模式选择性。
• 在无需材料优化或周期性凹凸结构的情况下，实现长程SPP传播，为生物传感和集成等离子学应用提供支持。
• 通过远场泄漏辐射显微镜验证SPP是否继承激发场的空间和偏振特性。
• 建立一种简单、可扩展的方法，通过在平面金属-电介质界面上设计光学光束来调控SPP响应。

提出的方法

• 采用Kretschmann结构，使用30 nm厚的Ag薄膜沉积在玻璃基底上，通过798.4 nm的飞秒激光经全内反射照射。
• 利用圆锥透镜生成贝塞尔-高斯光束；通过机械狭缝和一维柱面透镜产生一维光片。
• 通过光谱和空间工程合成时空（ST）光片，实现传播不变性和自愈合特性。
• 采用四分之一波片和涡旋波片控制并生成径向/方位角偏振矢量光束的偏振态。
• 利用5×物镜和CMOS相机进行SPP成像，通过光纤耦合光谱仪进行光谱分析。
• 测量远场角分布光谱和SPP散射图案，以确认SPP激发中的空间和偏振相关性。

实验结果

研究问题

• RQ1 SPP是否能被非高斯、无衍射光束（如贝塞尔-高斯光束和时空波包）高效激发？
• RQ2 矢量光束的空间和偏振结构如何影响SPP的激发和传播特性？
• RQ3 SPP在多大程度上能够延伸激发光束的空间轮廓，特别是在ST波包情况下？
• RQ4 是否可以在简单的平面界面上不依赖光刻图案化或周期性凹凸结构而生成长程、传播不变的SPP？
• RQ5 TM偏振和相位匹配在不同光束类型中对SPP激发效率的影响如何？

主要发现

• 成功激发了贝塞尔-高斯光束、光片（LS）和时空（ST-LS）波包的SPP，SPP强度分布与输入光束的空间分布高度一致。
• ST-LS光束使SPP实现了数厘米的传播（实测最远达8 cm），表现出长程、无衍射行为。
• 径向和方位角偏振矢量光束产生的SPP具有与偏振相关的空间图案，证实了强烈的模式选择性。
• SPP在长距离传播中未表现出显著的空间展宽，验证了ST-SPP传播不变性的理论预测。
• 实验装置在无需任何光刻图案化或多维约束的情况下实现了SPP激发，仅依赖光束整形和偏振控制。
• 测得光谱带宽∆λ = 2 nm，空间带宽∆kx = 18 rad/mm，光谱不确定度δλ = 50 pm，证实了稳定ST波包传播的条件。