[论文解读] 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 3

一句话总结

该论文挑战了传统观点，即在Kretschmann配置中，入射角超过全内反射临界角的平面波可激发表面等离激元极化子（SPPs）。研究表明，SPP激发实际上仅在使用窄角分布的平面波束时发生，此时反射分量的干涉形成具有SPP波矢的漏泄波——从而实现宽角度范围内的激发，而非仅限于单一临界角。

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.

研究动机与目标

• 重新审视Kretschmann配置中表面等离激元极化子（SPPs）激发的条件。
• 解决关于平面波在临界角以上入射时SPP激发的普遍信念与物理现实之间的矛盾。
• 阐明光束角谱与干涉在实现SPP激发中的作用。
• 确定通过漏泄波形成实现SPP激发的精确角度条件。

提出的方法

• 分析由多个具有不同入射角的平面波组成的窄束的反射行为。
• 应用角谱分解，将光束建模为平面波分量的叠加。
• 评估反射平面波分量之间的干涉效应，以在光束边缘形成非均匀（漏泄）波。
• 识别漏泄波的波矢与表面等离激元极化子波矢匹配的条件。
• 将单个平面波的最小反射角作为SPP激发的关键指标。
• 证明SPP激发发生在由光束角展宽决定的一系列角度范围内，而非单一临界角。

实验结果

研究问题

• RQ1 在Kretschmann配置中，能否由单一平面波以超过临界角的角度入射来激发表面等离激元极化子？
• RQ2 当平面波在这些角度下无法激发SPP时，何种物理机制使其得以实现？
• RQ3 窄束的角谱如何影响具有SPP波矢的漏泄波的形成？
• RQ4 为何实验上观察到SPP激发出现在一个角度范围内而非单一角度？
• RQ5 反射平面波分量之间的干涉在实现SPP激发中起到何种作用？

主要发现

• 与普遍信念相反，单一平面波在入射角超过临界角时无法激发SPP。
• 由多个平面波组成的窄束可通过反射分量的干涉实现SPP激发。
• 干涉在光束边缘产生一个波矢与表面等离激元极化子匹配的漏泄波。
• SPP激发的条件并非出现在单一角度，而是对应于光束角展宽的连续角度区间。
• 光束中单个平面波的最小反射角对应于SPP激发的起始点。
• 由于光束具有有限的角宽度，SPP在一系列入射角范围内被激发，从而解释了实验中观察到的宽带SPP激发现象。