【表面等离激元光子近场全息与复用概述1500字】

表面等离激元光子近场全息与复用概述与以自由空间光作为参考光和再现光的传统全息技术不同，表面等离子体全息是一种新的全息方法，它利用的是SPP参与了参考光或者再现光的过程。这种全息方法利用SPP的衰减特性减少了衍射光对成像质量的影响，故而受到了研究者的关注。早在1972年，CowanJ.J就提出了SPP的全息[49]，并通过实验得到了的衍射光斑，在随后的1980年，他以在银膜表面激发出的SPP作为参考光，在光刻胶内首先记录下物体SPP干涉信息，随后又激发出SPP作为再现光再现了比同期传统全息衍射效率高的股子图像[50]。过了几年，Maru等人[51]将波长为441.6nm的紫外光作为参考光，再现光则为波长632.8nm光照射银膜表面所激发的SPP，依然很好的重现了无其他干扰的全息图像，如图1.5所示。2011年，日本学者在《Science》杂志上提出了采用白光照明的生成彩色全息图像的设计方案，引起了广泛的关注。他的设计方案如图1.6(a)所示，利用棱镜耦合的原理，白光照射在棱镜上表面以激发SPP，再通过全息干板的调制产生对应颜色的衍射光，生成了之前记录的苹果物体彩色图样，如图1.6(b)所示。这一方案对白光SPP全息的发展具有很好的借鉴意义，但是这种全息方法只能产生静态的全息图[52]。图1.5Maru等人的研究[51]：(a)SP全息装置；(b)全息图的正视图；(c)全息图的右视图图1.6SPP彩色全息成像[52]：(a)原理示意图;(b)生成全息图与此同时，研究人员于2011年提出了一种通过波束的焦散曲线轨迹反推所需调制相位的方法来设计并实现任意轨迹传播的SPP波束[53]，如图1.7(a)所示，令全息过程中的物光为SPP波束，全息的相位记录过程可以通过反推此过程实现，其对应了全息中物光的重现，这也是一定的全息思想。根据SPP在全息中参与的角色不同，我们可以把SPP参与的全息分为三类[54]。第一类是参考光为SPP波束，物光为自由空间中的光波，在这一过程中，全息结构面上的SPP波束被散射到空间中，通过干渉形成了目标空间的光场，如图1.7(c)所示。因为该类全息成的是空间像，故其更容易检测且具有更佳的显示效果[55-56]。第二类全息是SPP扮演了全息的整个过程，即物光和参考光都是SPP波束。这种全息完全是SPP面上的衍射和干涉过程，不仅增加了对于全息结构的设计的复杂度，同时也提高了光场检测的难度，并不是个完美的方案。当然这也是可以实现的，譬如李志远课题组[57-58]就在2014年利用表面的聚焦SPP波束与SPP平面波的干涉图案进行了全息结构加工，如图1.7(d)，他们成功实现了面内的SPP波的宽带聚焦。第三类是目标物光束为SPP波束，参考光为自由空间中的三維光束。本文设计的全息类别也属于此类，故接下来我将更多的介绍下此类研究成果。早在2012年，哈佛大学的Capasso课题组[59]就提出利用全息原理设计金属表面的耦合光柵，将耦合器设计成入射涡旋光束与聚焦的表面等离子激元的干涉图样，并将这些全息等离子体界面集成到商用硅光电二极管中，证明了这些器件可以选择性地检测光的轨道角动量。以色列的Arie组于2014年同样利用全息的思想在平面上实现了多种特殊SPP波束的产生，如图1.7(b)所示。他们根据目标光场SPP波束的振幅和相位来设计耦合光栅结构，通过这一设计可以将空间高斯光束耦合到金属表面成功产生各种特殊的SPP波束。随后他们又将焦散曲线反推相位的方法与之结合，成功实现了一系列强度分布可调的SPP波束[60-61]。利用此类光的自由度人们还可以在超表面实现与在SPP全息复用，如图1.7(e)和(f)所示，Lin等人[62-63]分别偏振与波长复用实现了表面波的定向耦合。图1.7实现SPP的全息复用：(a)几何光学中焦散波束法[53]；(b)特定光栅的设计及SPP波束的生成[60]；(c)孔洞耦合空间入射光产生辐射SPP波的全息结构[55]；(d)面上SPP衍射全息聚焦设计[57]；(e)偏振定向表面波耦合[62]；(f)SPP波长复用[63]从上述的研究工作中，我们可以看到利用加工的微观结构能实现对SPP光场的操控，许多在传统光学中所没有的