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- 表面等离激元背景与发展
表面等离激元（Surface Plasmon Polaritons,SPPs）是存在于金属与介质界面处的一种波。金属表面的自由电子在入射到金属和介质界面的电磁波的激发下产生振荡，电磁波和自由电子的振动频率一致就能够产生共振。这时传播到金属表面的电磁波和金属表面的自由电子产生耦合形成一种在金属表面传播的近场电磁波。电磁场内储存的能量在产生电磁波和金属表面自由电子共振时会转换成自由电子振动的能量并被束缚在金属表面实现局部增强，这就是表面等离激元现象。利用表面等离激元在金属和半导体界面上的传播，而不是波在传统透镜内部的传播，大大压缩了透镜的尺寸，让纳米尺度的微透镜成为可能 [1]。
传统的介质片透镜通过在波前的不同位置施加程度不一的相位延迟，达到聚焦的目的。然而由于衍射极限的限制，传统透镜的成像能力受到极大的限制 [2]。另外, 透射光束在传统透镜的边缘会发生严重的衍射，这也对聚焦造成了影响 [3]。由金属和电介质组成的等离激元透镜（PL）可以激发表面等离激元极化子（SPPs），并且可用于亚波长聚焦，成像和光束整形[4]。操纵SPP的研究主要集中在亚波长金属结构的特定空间分布上，例如环形环，纳米颗粒，等离子微区板（PMZP），等等。当入射光的偏振态与等离激元透镜的几何结构匹配时，将获得最佳的SPP聚焦效果。由于轴对称性，SPP可以被径向偏振光束激发并由于相长干涉而到达几何学的焦点，从而实现超分辨率的高能聚焦。但由于表面等离激元极化子与金属表面结合，因此它振幅呈指数衰减，无法到达远场。必须采取有效的措施将SPP耦合成辐射形式，并让较高的空间分量有助于在远场焦点区域叠加，以产生具有所需尺寸的亚波长焦点[5]。我们可以将经过特殊设计宽度或深度的几个纳米缝排列在金属膜上，准确有效地实现面光源的聚焦[6]。到目前为止，单个亚波长孔径或狭缝穿孔表面波纹环绕的金属薄膜上的光不仅受到其光学传播特性的影响，而且还由于其在远场中的光束效应和用于将光聚焦在一定频率范围内的“类透镜”特性而引起了极大的关注[7]。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。
光场电磁波和金属表面的自由电子发生共振耦合而产生的种种特殊的光学特性已经成为了研究热点。Wang，Hao；Deng，yongqiang；He，jiayu设计的缝隙的结构具有相等的距离，长度和宽度，但填充有不同厚度的二氧化硅介质，以实现特定的相位延迟[8]。Zhao，Xining； Zhang，Xiaoping; Cao，Pengfei;提出了能够进行双面光束聚焦的光束光学聚焦结构并研究了焦距和从光源到透镜结构的距离之间的关系[9]。在位于高折射率介电层上单个阶梯状的微缝隙中进行高效的等离子激元聚焦，对于实现密集集成的等离激元电路非常重要[10]。还可以使用同心圆亚波长光栅（CC-SWGs）z作为具有聚焦能力的平面介电反射器,该反射镜在法向入射时具有较高的聚焦能力，且具有径向偏振平面波[11,12]。通过在等离激元菲涅耳平板透镜的焦平面上使用金领结纳米天线，证明了可以在三维区域中实现光束聚焦[13]。为了提高光的利用效率，可以将等离激元透镜设计为由单螺旋狭缝构成[14]。而Liu，Yu；Fu，yongqi；Zhou，xiuli通过时域有限差分算法研究了具有可变周期的等离激元透镜在近场的光学行为。计算数值结果表明，与其他四个偏振态的照明相比，径向偏振照明的等离子透镜的聚焦性能最佳。带有RP照明的等离子透镜可以实现超长焦距的超聚焦。在不久的将来，可以用作光学探针或等离子透镜，用于高分辨率成像[15]。
1、2 本课题研究内容与时间规划
本课题对基于金属狭缝阵列的微尺度表面等离激元透镜的研究前沿、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。拟通过数值仿真方法对表面等离激元透镜的几何结构、相位调制、焦距设计、偏振敏感度等重要物理性质进行模拟计算、数据分析和总结，对能够形成多焦点的表面等离激元透镜进行探索和研究。
为了实现多焦点的聚焦，可以利用公式，其中f为焦距，d为狭缝间的距离，n为折射率，与狭缝宽度有关。对于每一个预设的焦点，设计好对应的狭缝位置和宽度，使其在设计的焦点处聚焦。在设计完一组之后改变焦点的位置，再重新设计狭缝，最终实现多焦点的聚焦。利用仿真软件和数值方法对基于金属狭缝阵列的表面等离激元透镜聚焦后的物理性质进行分析和研究。
然后根据数值仿真的反馈结果，优化表面等离激元透镜的微纳结构，形成多焦点的表面等离激元透镜。
时间规划
1.2019年10月-12月 对表面等离激元透镜进行文献调研，对其最新的研究前沿和应用前景有初步的认识和理解。
