基于金属狭缝周期阵列的微型相位延迟片研究文献综述

1. 表面等离激元相位延迟片的研究背景和发展趋势

随着理论研究的深入和现代微加工技术的进步,对支持表面等离激元的金属微纳结构体系的研究已形成了一门新兴学科方向,即表面等离激元光子学.由于表面等离激元具有独特的光学特性,在数据存储、超分辨成像、光准直、太阳能电池、生物传感器以及负折射材料等方面有着重要的应用前景,成为当前广受国内外学者重视的热点研究领域之一[1]。能够同时控制近光和远光场的纳米级别的金属结构器件正吸引着越来越多的国内外学者的兴趣。有许多学者在设计等离激元器件对光的应用中，一般倾向于对光强和相位进行控制。然而，在发展新材料的过程中有学者发现，这些等离激元器件还能改变透射光和反射光的偏振态[2]。而正好传统波片无法直接缩小尺寸应用于相关领域，这种利用等离激元制成的微型波片正好可以填补传统波片的空缺。

关于光通过狭缝的周期性排列的传输存在着大量的研究。许多研究集中在表面等离激元介质波导的传输上。狭缝在纳米波导中以表面等离激元（SPPs）的形式传输电磁能，并以可变的相位传播常数为光束提供所需的相位延迟。已经表明，如果金属膜中的狭缝是经过构造的，那么他们将会产生共振。这些共振伴随着传输场相位的偏移[2]。这也就说通过构造各种各样的周期阵列，就可以生产出符合各种要求的波片。

基于有限时域差分算法(FDTD)，出现了多种表面等离激元波片和透镜的设计[2-11]。他们大多都是通过构造不同几何构造的周期阵列来实现的，可以有效的使光发生相位延迟，其中有在银膜中的十字形孔的周期性阵列中调整几何形状，以产生近红外中的特定波长的四分之一波片[2]、顶层金属层由纳米砖的周期性排列组成的金属-绝缘体-金属结构从而支持间隙表面等离子体激元共振，可以设计为反射宽带半波板，其带宽接近设计波长的20%，理论反射率超过85%，实验测得的反射率也就近50%[3]、由对称的L形等离激元天线的周期平面阵列组成的超薄四分之一波片，他可以有效地将垂直入射的线偏振光转换为圆偏振光，在1550 nm的工作波长下其椭圆率为0.994。厚度仅为30 nm，几乎是入射光波长的1/50[4]、包括彼此垂直布置的两个纳米缝隙，其中由纳米缝隙透射的场的相位相差lambda;/ 4的四分之一波片，他可以使入射光在线偏振光和圆偏振光之间有效转换[5]、设计为具有相等的距离，长度和宽度，但填充了不同厚度的SiO2电介质的缝隙，可以实现特定的相位延迟，能通过使用双聚焦离子束仪器研磨狭缝并将SiO2沉积到狭缝中来制造[6]、具有逐渐减小的膜厚度的金属层上的纳米狭缝阵列结构的金属镜片，这开辟了制造形状类似于玻璃镜片的金属镜片的可能性[7]、通过具有排列的有恒定深度但宽度可变的纳米缝的金属膜来调制光相位[8]，还有一种超反射镜的设计，用于在反射下进行偏振和相位控制[9]。研究人员甚至还利用这种方式设计出了具有矩形凹槽轮廓的高频光栅用于生成高效的分束器和光束偏转器，考虑了光栅设计参数的影响，即周期，凹槽深度，占空比，相电平数以及入射信号的偏振态（TE和TM），通过使用严格的电磁光栅分析来分析二元分束器光栅的情况，并得出了分束器光栅效率高达97％，光束偏转器光栅效率高达80％的实验结果。[10]，也设计了一个类似的平面透镜但带有侧面照明的二维模型。透镜由主总线波导组和传输等离子波并且起天线作用的凹槽组成。假设波导和凹槽的形状和填充材料在第三方向上是不变的。波前成形所需的相位延迟来自等离子体波在波导中的横向传播以及设计合理的凹槽位置。该概念适用于平面透镜和轴锥的设计。仿真结果表明，这种结构可以作为良好的衍射元件。这种结构的侧面照明特性使得可以将透镜潜在地集成在芯片上。[11]，并且利用光学接触，深紫外步进还原和电子束直接写入等三种不同的光刻技术，已经可以将其制造出来了。

1. 本课题的研究计划

本课题对基于金属狭缝周期阵列的微型相位延迟片的研究前沿、技术原理、应用前景进行调研，试图掌握本领域的世界前沿动态和研究发展趋势。利用仿真软件和数值方法对基于金属狭缝周期阵列的微型相位延迟片的物理性质进行分析和研究。根据数值仿真的反馈结果，优化表面等离激元分光镜的微纳结构基于金属狭缝周期阵列的微型相位延迟片，并对透射率和相位延迟等重要物理性质进行模拟计算、数据分析和总结，对能够形成相位延迟效果效果的金属狭缝周期阵列结构进行探索和研究。

对本课题的拟时间计划如下：

2019年11月、12月调研文献，掌握微型相位延迟片的研究前沿，理解本项目的研究背景和研究方向。完成开题报告的撰写。1月掌握基于金属狭缝周期阵列的微型相位延迟片的物理原理和数学解析方法。2月学习并掌握基于Lumerical FDTD Solution的数值仿真方法，编写程序对基于金属狭缝周期阵列的微型相位延迟片进行数值模拟。3月完成中期考核；对基于金属狭缝周期阵列的微型相位延迟片的相位延迟和透射率等物理性质进行仿真、分析、设计 4月及5月上半月对上述研究过程和仿真数据进行整理、分析、总结；并完成毕业论文的撰写。5月下半月和6月完成毕业答辩。

[1] 王振林，表面等离激元新进展[J]，物理学进展, 2009, 29(3):287-324

[2] A. Roberts, and L. Lin Plasmonic quarter-wave plate. Opt. Lett., 2012, 37(11): 1820-1822.

[3] Anders Pors, Michael G. Nielsen, and Sergey I. Bozhevolnyi, Broadband plasmonic half-wave plates in reflection. Opt. Lett., 2013, 38(4): 513-515.