[论文解读] Depolarization induced by subwavelength metal hole arrays

Cyriaque Genet, E. Altewischer+2 more|ArXiv.org|Nov 28, 2003

Optical Coatings and Gratings参考文献 2被引用 3

一句话总结

本文提出了一种基于对称性的理论框架，解释了在有限口径光束照射下，亚波长金属孔阵列由于表面等离激元（SP）激发导致的去极化现象。研究表明，具有空间色散的表面等离激元的角向积分传输导致固有去极化，正方和六边形阵列作为纯粹的去极化元件，其穆勒矩阵为对角矩阵，证实去极化源于表面等离激元传播和光束角展宽引起的空间变异性偏振态。

ABSTRACT

We present a symmetry-based theory of the depolarization induced by subwavelength metal hole arrays. We derive the Mueller matrices of hole arrays with various symmetries (in particular square and hexagonal) when illuminated by a finite-diameter (e.g. gaussian) beam. The depolarization is due to a combination of two factors: (i) propagation of surface plasmons along the surface of the array, (ii) a spread of wave vectors in the incident beam.

研究动机与目标

• 开发一个理论框架，解释在有限口径光束照射下，亚波长金属孔阵列中实验观测到的去极化现象。
• 阐明为何尽管对称性论证表明纯输入偏振应产生纯输出偏振，去极化仍会发生。
• 明确表面等离激元（SP）激发和空间色散在导致远场分布中偏振态变化中的作用。
• 确立去极化源于依赖于远场角度的SP传输振幅的角向积分，而非偏振混合。

提出的方法

• 在近轴近似下，对传输矩阵 $\mathbf{t}(\lambda;\theta)$ 进行形式分析，该矩阵关联输入与输出电场。
• 利用穆勒代数和斯托克斯参数描述偏振态，其中穆勒矩阵 $\mathbf{M}$ 由角向平均的传输振幅导出。
• 应用张量对称性分析，证明由于 $C_{nv}$ 点群对称性，正方和六边形阵列的 $\mathbf{M}$ 为对角矩阵。
• 推导穆勒矩阵元素 $M_0, M_1, M_2, M_3$ 为 $|t_{ij}|^2$ 和 $\Re[t_{ij}t_{kl}^*]$ 项的角向平均，揭示无斯托克斯参数混合。
• 识别出两个关键物理机制：(i) 多平面波照射（入射光束的角展宽），以及 (ii) 依赖于方向的SP传输引起的空间色散。
• 证明去极化是固有的，源于对称性、SP传播和有限光束角展宽的相互作用，而非材料缺陷所致。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何完全偏振的输入光束在通过亚波长金属孔阵列后发生去极化，尽管对称性论证表明应保持纯偏振？
• RQ2 表面等离激元激发及其角依赖性如何导致输出光束中空间变异性偏振？
• RQ3 有限口径（如高斯）光束照射在实现去极化方面所起的作用是什么，与平面波照射相比有何不同？
• RQ4 为何正方和六边形阵列的穆勒矩阵为对角矩阵，这对其偏振混合意味着什么？
• RQ5 阵列的对称性（如 $C_{4v}$, $C_{6v}$）如何决定穆勒矩阵的结构及去极化程度？

主要发现

• 正方和六边形孔阵列的穆勒矩阵为对角矩阵，表明无斯托克斯参数混合，证实这些阵列作为纯粹的去极化元件。
• 去极化源于由于表面等离激元引起的空间色散而导致依赖于远场角度的传输振幅的角向积分。
• 对于输入度 polarization $\Pi^{\rm in} = 1$ 的光束，输出度 polarization 降低至 $\Pi^{\rm out} = M_i / M_0 < 1$，其值取决于光束的孔径角。
• 在孔径尺寸趋近于零或金属高度耗散（如Cr）的极限情况下，穆勒矩阵变为与单位矩阵成比例，证实无去极化。
• 对于六边形阵列，$M_1 = M_2$，意味着 $S_1 = \pm 1$ 和 $S_2 = \pm 1$ 的输入遭受相同的去极化，可通过交叉偏振分析实现直接测量。
• 该理论表明，去极化本质上源于多平面波照射与SP诱导的空间色散的结合，而非对称性破缺缺陷所致。