基于等离激元的空间微分
2017年浙大的阮智超 叶辉等《Plasmonic computing of spatial differentiation》
采用单个金属介质表面上的等离激元的干涉效应来演示空间微分。与依赖复杂原子阵列的超材料方法不同,提出的等离激元微分法由单个超薄的金属薄膜组成,大大简化了制造流程,减少了制造缺陷的影响。薄膜的厚度可以减小到50nm,后续还进行了图像的边缘检测实验,可以通过标准薄膜沉积技术,大规模制造等离激元微分器。
使用了一个柯雷茨曼棱镜的配置,p 极化波倾斜地照亮了玻璃侧的金属表面,并具有入射角度theta,可以激发金属表面的等离极化激元。
当入射角度满足相位匹配条件,即当平面波的波矢量平行于金属空气表面等离极化激元的波矢量,入射的平面波就会激化表面等离极化激元。由于材料的损耗,衰变的 SPP 导致转移函数光谱 H (kx)在Kx=0时 的下降。当激化的 Spp 沿着金属表面传播时, 它会产生泄漏并辐射。因此,反射振幅是通过玻璃金属界面的直接反射与SPP泄漏辐射之间的干涉来确定的。在Kx=0附近,传递函数可以表示为下式:
角度直接反射导致的相位变化,
是等离激元的泄露率,是材料本身的损耗率,当两者相等时,在Kx=0附近,
此时的传递函数就是一阶导数的传递函数,在空域,反射光谱可以写为:
通过控制金属膜的厚度来满足临界耦合条件,即,使两个阿尔法相等。通过传输矩阵方法,对于波长为532纳米的激光束,银膜厚度约50nm,关键的耦合条件满足。下图使测试了不同厚度银膜的传输函数谱,绿色是实验测量,蓝色是拟合线,红色是公式4计算的结果。
实验部分
入射的光波是通过一个可调的狭缝,入射和反射光波的强度信息如下图a和b所示,可以看到反射光束显示在入射光束的边缘处显示了很尖锐的峰,即实现了空间差分边缘检测,为了进行定量演示,改变入射狭缝的宽度,如图c、d分别入射场和反射场的振幅分布,如图2d所示,实验测量与空间分化的数字结果在峰值位置有很好的一致性。我们计算皮尔逊系数,即反射强度和理论微分计算之间的相关系数。 这三种情况的相关系数分别为93.9%、93.3%和90.6%,显示了等离激元微分器的良好性能。
接下来演示了等离激元微分器的各个方面,这些方面对于高通量图像处理非常重要。为此,用SLM(空间光调制器)生成各种图像,将入射光投射到等离激元微分器上,因为带宽有限,不能分辨比较近的两个边缘,在SLM上产生槽测试图案,反射光强如下图b所示,因为公式5所示,只能在x方向产生微分,所以在设计时只在x方向做了入射光强度的变化,最小可以分辨7.2微米,
该微分器不止能检测强度变化,也能检测相位变化,为了显示这种效果,使用 SLM 分别生成具有振幅和相调的入射光场。下图所示的a是强度调制生成的,c是相位调制的,字母和徽标的内侧和外侧具有不同的相位,但强度相同。
如上图所示,只需旋转光束,即可沿着垂直方向进行分化。或者,通过使用同时激发两个传播 SPP 的二维光栅耦合器,而不是棱镜耦合方法,可以构建等离激元微分器,同时沿两个垂直方向执行微分。
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