利用光學(xué)天線裁剪光學(xué)矢量場(chǎng).pdf

1、在集成光學(xué)和納米光子學(xué)領(lǐng)域，由于衍射極限的限制，傳播場(chǎng)和局域場(chǎng)之間的高效轉(zhuǎn)換是一個(gè)關(guān)鍵的基本物理問(wèn)題。借鑒微波天線的概念，光學(xué)天線能夠?qū)崿F(xiàn)傳播場(chǎng)和局域場(chǎng)的高效轉(zhuǎn)換。隨著現(xiàn)代納米技術(shù)的快速發(fā)展，亞波長(zhǎng)尺度的金屬結(jié)構(gòu)加工也更易于實(shí)現(xiàn)，極大地促進(jìn)了光學(xué)天線領(lǐng)域的研究開(kāi)展，光學(xué)天線在超衍射分辨成像、高分辨率光譜技術(shù)、高效率太陽(yáng)能電池以及納米光刻等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景，被認(rèn)為是現(xiàn)代光學(xué)發(fā)展的重要方向之一。矢量光場(chǎng)通過(guò)對(duì)光場(chǎng)偏振狀態(tài)在空間上的裁

2、剪從而可以與光學(xué)天線等亞波長(zhǎng)金屬結(jié)構(gòu)更加有效地相互作用。圓柱矢量光束由于其特殊的空間變化的偏振分布，為光場(chǎng)的裁剪提供了新的思路。本論文以光學(xué)天線的設(shè)計(jì)和應(yīng)用為研究目標(biāo)，對(duì)圓盤(pán)形、牛眼形和螺旋形光學(xué)天線在近場(chǎng)光學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)的研究，通過(guò)矢量光場(chǎng)與不同結(jié)構(gòu)天線的相互作用，可以根據(jù)特定應(yīng)用的需求對(duì)光場(chǎng)進(jìn)行裁剪。
　　 本論文解決的主要科學(xué)問(wèn)題及取得的學(xué)術(shù)成果總結(jié)如下:
　　 問(wèn)題一:根據(jù)相關(guān)報(bào)道，通過(guò)將量子點(diǎn)與牛眼

3、天線相耦合，牛眼天線能夠?qū)晒鈭?chǎng)的強(qiáng)度、方向性以及出射方向進(jìn)行很好的調(diào)控。除此之外，在量子信息處理、單分子傳感以及集成光子電路等應(yīng)用中，納米尺度的空間結(jié)構(gòu)光場(chǎng)也有著極其重要的應(yīng)用。然而，在現(xiàn)有的光學(xué)天線研究中，對(duì)發(fā)光體輻射場(chǎng)的角動(dòng)量調(diào)制還未得到實(shí)現(xiàn)。
　　 問(wèn)題一的學(xué)術(shù)思想及解決方案:當(dāng)納米尺度發(fā)光體靠近光學(xué)天線時(shí)，輻射場(chǎng)的特性會(huì)因天線的光學(xué)共振而發(fā)生改變。當(dāng)光束與均勻、各向同性的光學(xué)天線發(fā)生相互作用時(shí)，例如牛眼天線結(jié)構(gòu)，自旋和

4、軌道角動(dòng)量之間的守恒是相互獨(dú)立的。然而，如果天線的結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，例如各向異性或非均勻，入射光子與天線之間將產(chǎn)生自旋-軌道相互作用。當(dāng)輻射場(chǎng)與螺旋天線發(fā)生相互作用時(shí)，根據(jù)物理系統(tǒng)中的總角動(dòng)量守恒規(guī)則，螺旋結(jié)構(gòu)的手性將轉(zhuǎn)化出射光子攜帶的角動(dòng)量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光子角動(dòng)量的調(diào)控。
　　 提出并設(shè)計(jì)了可用于調(diào)制納米尺度發(fā)光體輻射場(chǎng)特性的阿基米德螺旋天線。通過(guò)將量子點(diǎn)與螺旋天線相耦合，能夠獲得方向性極好的圓偏振渦旋光束;通過(guò)改變螺旋結(jié)構(gòu)的螺距和

5、激發(fā)點(diǎn)源的位置，可以對(duì)出射光子的軌道角動(dòng)量和出射方向進(jìn)行有效的控制。實(shí)驗(yàn)中得到了與理論計(jì)算相符的結(jié)果，獲得了半高全寬為10°、峰值強(qiáng)度增強(qiáng)為70倍、方向性為11.4 dB、圓偏振的消光比為10的熒光場(chǎng)。當(dāng)受激點(diǎn)源的位置偏離螺旋結(jié)構(gòu)幾何中心200nm和500nm時(shí)，觀測(cè)到的熒光場(chǎng)峰值的偏移角度分別約為3°和6°。
　　 問(wèn)題二:在納米光刻應(yīng)用中，復(fù)雜圖案的加工可以通過(guò)表面等離子體(SPPs)近場(chǎng)探針逐點(diǎn)掃描的方法實(shí)現(xiàn)。為了獲得較高

6、的SPPs場(chǎng)增強(qiáng)，通常采用徑向偏振激發(fā)的軸對(duì)稱(chēng)探針結(jié)構(gòu)。然而，由于激發(fā)光的偏振態(tài)在空間呈非均勻分布，徑向偏振光的中心奇點(diǎn)需要與探針的結(jié)構(gòu)中心準(zhǔn)直。因此，該探針無(wú)法做成陣列而用于大面積的光刻應(yīng)用。同時(shí)，在實(shí)際應(yīng)用中需要一套掃描裝置，從而降低了刻寫(xiě)的速度，限制了光刻的面積。
　　 問(wèn)題二的學(xué)術(shù)思想及解決方案:對(duì)于特定手性的阿基米德螺旋天線，它能夠?qū)⒕哂邢嗤中缘膱A偏振光場(chǎng)聚焦為中空的光斑，而將相反手性的圓偏振光場(chǎng)聚焦為實(shí)心光斑。

7、r>　　 提出并設(shè)計(jì)了一種錐形針尖整合在螺旋天線幾何中心處的近場(chǎng)探針。螺旋天線的聚焦場(chǎng)分布具有自旋取向的空間分離特性，因此當(dāng)入射光子的自旋態(tài)發(fā)生改變時(shí)，針尖尖端處的光場(chǎng)也會(huì)產(chǎn)生對(duì)比度很大的明暗變化。為了在獲得高場(chǎng)強(qiáng)的同時(shí)保持相對(duì)較低的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射損耗，探針采用了雙層螺旋和復(fù)合型針尖的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。數(shù)值模擬的結(jié)果表明，針尖處可獲得的最高場(chǎng)增強(qiáng)因子為366，相對(duì)應(yīng)的消光比為81。該探針采用的激勵(lì)源為偏振態(tài)在空間中均勻分布的圓偏振光束，在使用時(shí)無(wú)需

8、進(jìn)行中心對(duì)準(zhǔn)，因此可做成陣列的形式用于大面積的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的光刻加工。
　　 問(wèn)題三:在光學(xué)系統(tǒng)中，存在著很多具有軸對(duì)稱(chēng)性的光學(xué)器件，例如由同心環(huán)形狹縫構(gòu)成的牛眼天線，以及近場(chǎng)掃描光學(xué)顯微鏡(NSOM)的探針。當(dāng)普通的線偏振光束作用于這些軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)時(shí)，SPPs只會(huì)在線偏振的方向上被激發(fā)，限制了在焦點(diǎn)處的局域場(chǎng)強(qiáng)度，同時(shí)焦場(chǎng)呈中空的兩瓣分布，限制了光學(xué)器件所能達(dá)到的分辨率。
　　 問(wèn)題三的學(xué)術(shù)思想及解決方案:徑向偏振光束的偏振

9、態(tài)在橫截面上呈徑向的軸對(duì)稱(chēng)分布，當(dāng)其作用于同樣軸對(duì)稱(chēng)的金屬結(jié)構(gòu)時(shí)，SPPs會(huì)在全部的角向方向上產(chǎn)生，從而獲得高效激發(fā)的SPPs場(chǎng)。基于這一特點(diǎn)，對(duì)現(xiàn)有的增強(qiáng)光學(xué)透射(EOT)結(jié)構(gòu)和近場(chǎng)探針結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，獲得了更好的性能。
　　 提出并設(shè)計(jì)了一種基于徑向偏振光激發(fā)的EOT結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由金膜上的單圈環(huán)形狹縫和位于狹縫下方的圓盤(pán)形納米金膜天線組成。納米天線能夠?qū)⑷肷涔鈭?chǎng)的能量充分的收集，并高效的耦合至環(huán)形狹縫，繼而傳播到自由空間，獲

10、得極強(qiáng)的EOT效應(yīng)。根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果，該EOT結(jié)構(gòu)最高可獲得251倍的傳輸效率增強(qiáng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于之前相關(guān)報(bào)道中利用線偏振態(tài)激發(fā)所能達(dá)到的數(shù)值。
　　 提出并設(shè)計(jì)了一種錐形針尖整合在牛眼結(jié)構(gòu)中心的復(fù)合型近場(chǎng)探針。牛眼天線和錐形針尖都具有非常好的SPPs聚焦效應(yīng)。在徑向偏振光的激發(fā)下，這種探針結(jié)構(gòu)有著比單獨(dú)的牛眼或針尖結(jié)構(gòu)更高的場(chǎng)增強(qiáng)因子。與入射場(chǎng)相比，針尖頂端附近能獲得467倍的電場(chǎng)增強(qiáng)，比單獨(dú)的錐形針尖結(jié)構(gòu)提高了100％，比單獨(dú)的

11、牛眼結(jié)構(gòu)提高了200多倍。同時(shí)，探針的場(chǎng)增強(qiáng)因子不會(huì)隨針尖錐角的改變而發(fā)生劇烈的變化，大大降低了對(duì)加工精度的要求。
　　 問(wèn)題四:消逝貝塞爾光束在非線性光學(xué)、原子光學(xué)以及光學(xué)微操控等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。在之前的報(bào)道中，通過(guò)將徑向偏振光強(qiáng)聚焦在銀膜表面，可以產(chǎn)生消逝的零階貝塞爾光束。然而，在光鑷應(yīng)用中，希望能夠產(chǎn)生多種階次的消逝貝塞爾光束，應(yīng)用于不同種類(lèi)顆粒的光學(xué)捕獲。
　　 問(wèn)題四的學(xué)術(shù)思想及解決方案:光子晶體有著可控的

12、色散關(guān)系和傳輸特性，通過(guò)合理的選取參數(shù)，當(dāng)光場(chǎng)處于特定的波段、入射角度和偏振時(shí)，才能夠在光子晶體內(nèi)部傳播。
　　 利用光子晶體的空間濾波特性，以及徑向和角向偏振光束在強(qiáng)聚焦下的特殊場(chǎng)分布，提出并設(shè)計(jì)了利用光子晶體中缺陷模式和帶邊模式產(chǎn)生零階和一階消逝貝塞爾光束的兩種裝置。在不改變結(jié)構(gòu)參數(shù)的前提下，僅通過(guò)調(diào)整入射場(chǎng)的偏振態(tài)為徑向或角向，就可獲得不同階次的消逝貝塞爾光束。
　　 本論文的創(chuàng)新點(diǎn)主要包括:
　　 1.提

13、出并設(shè)計(jì)了可用于調(diào)控納米尺度發(fā)光體輻射光場(chǎng)的阿基米德螺旋型光學(xué)發(fā)射天線。通過(guò)將受激點(diǎn)源與螺旋天線相耦合，能夠獲得方向性極好的圓偏振渦旋光束;改變螺旋結(jié)構(gòu)的螺距，以及激發(fā)點(diǎn)源的位置，可以對(duì)出射光子的軌道角動(dòng)量和出射方向進(jìn)行有效的控制。并用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，獲得了方向性為11.4dB，圓偏振的消光比約為10的熒光場(chǎng)，與理論計(jì)算相符合。
　　 2.根據(jù)螺旋式光學(xué)接收天線的聚焦特性，提出并設(shè)計(jì)了可用于陣列光刻加工的表面等離子體探針。探針采

14、用雙層螺旋以及復(fù)合型針尖的設(shè)計(jì)，能夠獲得極高的局域場(chǎng)增強(qiáng)和圓偏振消光比，數(shù)值模擬的結(jié)果表明，針尖處可獲得的最高場(chǎng)增強(qiáng)因子為366，相對(duì)應(yīng)的消光比為81。通過(guò)改變?nèi)肷鋱A偏振光的手性，每個(gè)探針上的熱點(diǎn)開(kāi)關(guān)狀態(tài)都可得到控制，適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的大面積光刻。
　　 3.基于徑向和角向偏振光在強(qiáng)聚焦下的特性和一維光子晶體的空間濾波特性，提出了產(chǎn)生零階和一階消逝貝塞爾光束的設(shè)計(jì)。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)結(jié)構(gòu)中所產(chǎn)生增強(qiáng)的零階消逝貝塞爾光束作用于金顆