利用具有轨道角动量的非衍射贝塞尔光束产生太赫兹表面等离子体激元

    等离子体学和光子学是当今现代光学中发展最迅速的领域。等离子体动力学的一个重要领域是研究表面等离子体激元的产生和输运以及控制它们的方法。虽然表面等离子激元极化激子已经研究了一个世纪，它们的性质也得到了很好的检验，但近年来人们对它们的兴趣有所增加，特别是与纳米光学设备的发展和它们的实际应用前景有关。轨道角动量光束的产生和使用通常被称为光子学领域的研究是最近才兴起的且这一研究领域正在逐步扩大。

    这两个领域直到2009年才相交，研究人员提出通过内部全反射产生表面光学涡旋。利用圆偏振激光辐射，实验证明了等离子体涡旋透镜（在金属薄膜上形成一种特殊的弯曲狭缝图案）可产生表面等离子体涡旋。随后，利用自由波涡旋光束在银薄膜上的正入射，产生了具有相位奇异性的表面等离子体波。实验证明，可以使用由弯曲叉形凹槽组成的全息耦合器将自由涡旋光束转化为单向表面等离子体激元。这些实验均在可见光范围内进行。在这里，研究人员研究了使用单色太赫兹辐射将涡旋光束转换成表面等离子体激元。太赫兹等离子体的特性和可能的应用领域与可见光范围内的等离子体不同。

    到目前为止，有三个实验关于在太赫兹范围内产生涡旋光束。He等人利用宽带太赫兹源，产生并研究了V形天线阵列的太赫兹涡旋光。Miyamoto等人使用Tsurupica制成的螺旋相位板（不是菲涅耳带板）和可调谐单色辐射源在2THz和4THz处产生涡旋光束。Imai等人实现了另一种产生太赫兹涡旋光束的技术。他们使用一个截面消色差的四分之一波片与一个线偏振器耦合，将径向偏振的宽带太赫兹光束转换成宽带涡旋光束。在这些研究中，研究人员都证明了可以用拉盖尔-高斯函数很好地近似所产生的光束。

    研究人员报告了太赫兹贝塞尔涡旋光束的形成，对其特性的研究以及通过在金属介电界面边缘衍射涡旋光束产生表面等离子体激元的研究。使用新西伯利亚自由电子激光器作为辐射源。新西伯利亚自由电子激光器的波长可调谐到90-240μm之间的任意波长，半宽Δλ/λ≤0.01，产生连续的100ps脉冲流，重复率为5.6MHz。值得注意的是，如果没有高功率的单色太赫兹辐射源，几乎无法完成这项工作。为了在空间中分离体衍射波和表面等离子体，必须使用圆柱形弯曲的金属-介电界面将表面等离子体激元传输到探测器。等离子体激元沿弯曲界面运动所造成的辐射损失大大降低了样品端等离子体激元的强度，从而降低了发射到自由空间的波的强度。尽管微测辐射热计矩阵具有相当高的灵敏度，但信号与噪声相比仅高出10倍，而新西伯利亚自由电子激光器发出的输入辐射的平均功率不低于几十瓦。

    采用带螺旋结构的硅二元相片，在λ=141μm波长处形成了l=±1和l=±2的涡旋光束[图1(a)]。作为该板的原型是用于产生可见光范围内涡旋光束的具有菲涅耳区螺旋结构的振幅带板。实验中使用到的衍射元件可以归类为相位螺旋菲涅耳片，板的直径为38mm。

    图1产生具有轨道角动量的光束

    (a) 形成拓扑荷为l=±1和l=±2的涡旋光束的元件的相位函数。白色对应的相位值为π，黑色对应的相位值为零。(b)实验装置。在这里和下面，使用右手坐标系，相位角沿顺时针方向增长。二元相螺旋区板设置为z=0。(c)λ=141μm时，l=±1和l=±2的光束随距离的强度分布。

    一束腰为15.2mm的线偏振新西伯利亚自由电子激光器高斯光束照射到波带片后，在距离波带片约z=110mm处变成涡旋光束[图1(b)]。用来改变涡旋光束的偏振方向的两个偏振器位于带板前面，没有显示在图中。所有的图像都呈现给沿z轴观察的观察者。使用物理尺寸为16.36×12.24mm2的320×240微辐射热计阵列实时记录光束的图像。对于不同的拓扑荷，光束截面不同，但不依赖于入射光束的偏振和拓扑荷的符号。研究人员在菲涅耳-基尔霍夫近似中编写了一个代码来模拟光束的振幅和相位特性。该代码在这些和随后的实验中显示了实验观察和模拟模式之间的良好一致性。

    用这些板形成的光束是非衍射的[图1(c)]。研究发现，光束强度的径向分布可以很好地近似于拓扑荷为∣l∣一阶的贝塞尔函数。在距离z=110~260mm处，涡旋光束完全形成，仿真和实验表明，涡旋光束的幅值和相位可表示为：

    其中，k=2π/λ；；φ为方位角，α为比例因子。对于l=±1和l=±2的光束，第一环的直径分别为1.7mm和3.2mm且在z=110 mm到z=260mm之间没有变化。然而，光束功率（与框架上的表面积分成正比）随着距离的增加而减小。这意味着光束波前逐渐变成球形波前。光束中相位分布随z的函数的数值计算证实了这一点。

    研究人员通过实验证明了这一假设，通过涡旋光束与共线高斯光束在马赫-曾德干涉仪中的干涉[图2(a)]，距离为z=260mm。在这种情况下，会出现螺旋状干涉图。实验观察和模拟的模式[图2]。2(b)和2(c)]非常吻合，清晰地显示出拓扑荷的迹象。值得注意的是，非共线光束会产生众所周知的叉状干涉条纹[图2(d)]。

    图2Mach-Zehnder干涉仪中涡旋光束与参考光束的干涉

    (a)实验示意图。(b)实验观察到的260mm距离上不同拓扑荷光束的干涉图。(c)模拟260mm距离上不同拓扑荷光束的干涉图。(d)以0.2rad角度入射的参考高斯光束与涡旋光束干涉的计算图，z=260mm处的弯曲条纹证明了涡旋光束波前球性。

    这些干涉图样常被用作光束扭曲的证据。显然，光束扭曲可以用一种更简单的方法来检测，使用经典的衍射实验。研究人员应用杨氏双缝衍射，观察到狗腿状的条纹。光束的拓扑荷的值和符号从观察到的条纹形状中得到。半平面上的涡旋光束衍射[图3(a)]是一个更简单的衍射实验，这也与后续的表面等离激元极化实验有直接关系。对衍射图的模拟[图3(b)]表明，对于与涡旋光束强度分布相同但没有扭曲（l=0）的假想光束，其衍射图相对于x轴是对称的，而对于涡旋光束，其衍射图出乎意料地是非对称的。用刀口障碍物对涡旋光束进行了实验和模拟，得到了相同的结果。

    图3

    (a)刀口障碍物衍射研究的实验装置，S是坡印廷向量。(b)拓扑荷l=±1和l=±2的光束的模拟衍射图样（z=150mm，D=60mm），它们的强度分布与实验产生的涡旋光束的强度分布相同。(c)涡旋光束产生表面等离子体激元。(d)具有不同拓扑荷的光束的图像记录；ZnS厚度为1.5μm，从输入面到阵列的距离为70mm。(e)三种ZnS厚度下金-ZnS-空气界面附近空气中表面等离子体激元衰减长度与l=±1的光束前两环直径的对比示意图。只有当入射光束是p偏振（波的电矢量沿x轴放置）时，表面等离子体才会产生。

    最后一个步骤是使用涡旋光束产生太赫兹表面等离子体激元。在可见光谱范围内的等离子体器件中，通常采用沿金属-空气界面的表面等离子体激元传输。随着波长的增加，表面等离子体激元与金属表面的耦合减弱。最新的表面等离子体激元太赫兹等离子体是使用具有设计元结构的表面，以提供更好的表面等离子体激元耦合。然而，使用沉积在金属表面的薄介质薄膜大大增加了表面等离子体激元耦合，这可以用于平面等离子体器件。太赫兹等离子体的长传播距离（几厘米，而可见光的传播长度为几十微米）可能有利于此类应用。

    研究人员应用了端射耦合技术，即入射光束在导体-介电界面边缘衍射，以发射表面等离子体激元。涡旋光束[图3(c)]撞击圆柱形样品表面。微测热计阵列记录了衍射图样（θ=0°对应位置）、切向散射辐射（θ=22.5°）和等离子体激元在圆柱面末端（θ=45°）衍射产生的自由波。这里，表面等离子体激元产生的概率预计与涡旋光束的强度分布[图3(d)左栏]与表面等离子体激元衰减长度[图3(e)]之间的重叠积分成正比。由于涡旋束环的半径大于衰减长度，因此，可以预期表面等离子体激元将在具有涡旋束环的样品表面横截面附近产生。柱状表面上的条形图显示了预期的表面等离子体激元迹，但实验表明表面等离子体激元产生的效率取决于光束扭曲的方向。

    涡旋光束在圆柱形样品[图3(d)中第二柱]上的衍射是非对称的，这与模拟结果[图3(b)]一致。它与涡旋光束在刀形边缘上的衍射图样相同，但与传统光束的衍射有根本区别。放置在圆柱表面输出端（θ=45°）附近的阵列记录的图像清楚地证明，表面等离子体激元通过曲面并在输出边缘衍射产生自由波，在图3(d)的第四列中用黄色箭头标记。所得的衍射图与表面等离子体激元在平面尾缘衍射得到的衍射图吻合较好。

    这些自由波的强度小至入射波强度的~1/1000，接近微测热计阵列灵敏度的下限。因此，使用大功率自由电子激光器是至关重要的。表面等离子体激元沿圆柱体表面的辐射损失在图3(d)第三列所示的图像中可以很好地看到。在θ=22.5°的图像中看到的干涉条纹显然是由于微热计阵列内部的法布里-珀罗效应而出现的伪影。这是用光声探测器证实的。比较所有辐射成分的强度，粗略估计表面等离子体激元产生的效率至少为几个百分点。

    涡旋光束产生表面等离子体激元最显著的特点是其相对于光轴的不对称性。如果对于不同的拓扑荷符号，衍射最大值出现在不同的侧面，那么表面等离子体激元也会不对称地产生，但是在与衍射最大值相反的侧面。如果看一下图3(a)，对这一事实的唯一现象学解释可能是涡束环的左右横截面与样本边缘的坡印廷矢量方向的差异。如果指向矢量从表面向上，能够观察到衍射最大值。在相反的情况下，在指向向量指向表面的一侧产生表面等离子体激元。这条“规则”适用于l=±1。对于l=±2，可以观察到同样的趋势，但是在光轴的另一侧可能出现一个更弱的等离子体。这一现象可能有一些定性的解释。

    总之，研究人员提出了一种产生具有轨道角动量太赫兹光束的新系统。利用新西伯利亚自由电子激光器的辐射，形成了具有不同拓扑荷的太赫兹贝塞尔光束，其平均功率约为30W。光束通过的距离为Δz/r~100，其中，r是第一环半径，这与光束的高功率相结合，在遥感应用和广泛物体的透射射线检查方面是有希望的。这项研究证明了涡旋光束在金属-介电界面边缘衍射产生表面等离子体激元，其效率惊人地依赖于局部坡印亭矢量方向。这种效应还需要进一步的研究，但可能会得到应用，例如，在未来的太赫兹光子器件中设计光开关。

本文来源：光学前沿评论