メタサーフェス構造による負屈折物質中における波束伝搬の実験的観測

使用超表面结构波包在负折射材料中传播的实验观察

• 批准号: 20J21825
• 负责人: 伊知地 直樹
• 金额: $ 1.98万
• 依托单位: University of Tsukuba
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-04-24 至 2023-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20J21825/
• 关键词: Surface Plasmon; ultrafast; structured light; spin angular momentum; Metamaterial; Ultrafast

本研究では、金属平面における自由電子の集団的な振動運動: Surface Plasmon Polariton (SPP)波束の伝搬現象の理解及びコントロールを目的とし、数値計算、電磁界シミュレーション、超短パルスレーザーを用いた実空間観測実験を行った。2020-21年度には金属平面上に作成したナノスケール共振器構造にSPP波束を入射させる際に生じる光学的共鳴現象をフェムト秒(10^-15 s)スケールで時間分解観察し、共振器構造の構造に依存した反射率/透過率の変化や透過波束における異常遅延現象を観測した。観測された異常遅延現象は理論モデルによる計算および電磁界シミュレーションによる検証により、金属表面上におけるSPPが有する周波数分散に起因して生じる、波束中の空間的な周波数分布と共振器の持つ離散的な共鳴モードの相互作用によるものであると結論付けた。2022年度には、SPPを励起する入射光において波束を構成する周波数ごとに個別の位相シフトを付加することで設計した空間分布、伝搬特性を有するSPP波束、Space-Time (ST) SPP波束の励起及び観測実験を行った。これまで理論計算においてのみ予測され励起手法が未検討だったST-SPP波束は、自由空間中でSPPの分散に合わせた補正を与えた励起用ST波束を金属平面上のナノスケール単スリット構造に照射することで励起しうることを電磁界シミュレーションによって示した。得られた結果をもとに新規に実験系を構築し、設計した無回折特性および空間分布を有するSPP波束の励起及び伝搬現象の観測に成功した。加えてST-SPP波束における三次元的な電磁場分布よりスピン角運動量の導出を行い、今回励起及び観測したST-SPP波束には三次元的なスピンテクスチャが付随して伝搬することを示した。

在这项研究中，我们的目标是利用真实空间数值计算、电磁场模拟和超短脉冲激光来理解和控制金属平面上自由电子的集体振动运动：表面等离子体激元（SPP）波包的传播现象我们进行了观察实验。在2020-21财年，我们将对SPP波包入射到金属平面上创建的纳米级谐振器结构时发生的飞秒（10^-15秒）尺度的光学谐振现象进行时间分辨观测，并研究我们观察到反射率/透射率随结构的变化以及传输波包中的异常延迟现象。通过理论模型对观察到的异常延迟现象进行计算，并通过电磁场仿真进行验证，发现金属表面SPP的频率色散和谐振器的离散频率引起的波包中的空间频率分布结论是这是由于共振模式的相互作用造成的。 2022财年，我们将开发SPP波包和时空（ST）SPP波包，其空间分布和传播特性是通过在激发SPP的入射光中构成波包的频率上添加单独的相移而设计的。进行了观察实验。 ST-SPP波包仅通过理论计算进行预测，未研究激发方法，通过将自由空间中的激发ST波包转换为金属平面上的纳米级单缝结构，开发了ST-SPP波包，该结构具有根据SPP的色散进行了修正，我们通过电磁场模拟表明它可以被辐照激发。基于所得结果，我们构建了新的实验系统，并成功观察了具有设计的无衍射特性和空间分布的SPP波包的激发和传播现象。此外，我们从ST-SPP波包中的三维电磁场分布推导了自旋角动量，并表明激发和观察到的ST-SPP波包以三维自旋纹理传播。

项目成果

university of central florida, CREOL(米国)

中央佛罗里达大学，CREOL（美国）

Excitation and observation of the striped space-time surface plasmon polaritons

条纹时空表面等离子体激元的激发与观察

• 发表时间: 2022
• 作者: Naoki Ichiji;Hibiki Kikuchi;Murat Yessenov;Kenneth L. Schepler;Ayman F. Abouraddy;Atushi Kubo
• 通讯作者: Atushi Kubo

Femtosecond imaging of spatial deformation of surface plasmon polariton wave packet during resonant interaction with nanocavity

与纳米腔共振相互作用过程中表面等离子体激元波包空间变形的飞秒成像

• DOI: 10.1515/nanoph-2021-0740
• 发表时间: 2022
• 期刊: Nanophotonics
• 影响因子: 7.5
• 作者: Ichiji Naoki;Otake Yuka;Kubo Atsushi
• 通讯作者: Kubo Atsushi

Observation of Ultrabroadband Striped Space-Time Surface Plasmon Polaritons

• DOI: 10.1021/acsphotonics.2c00296
• 发表时间: 2022-02
• 期刊: ACS Photonics
• 影响因子: 7
• 作者: Naoki Ichiji;Hibiki Kikuchi;M. Yessenov;K. Schepler;A. Abouraddy;A. Kubo

Propagation analysis of space-time surface plasmon polariton wave packet excited by light irradiation on nanobeam structure

光照射激发的时空表面等离子体激元波包在纳米梁结构上的传播分析

• DOI: 10.1117/12.2607690
• 发表时间: 2022
• 期刊: Proceedings of SPIE
• 作者: Ichiji Naoki;Yessenov Murat;Schepler Kenneth L.;Abouraddy Ayman F.;Kubo Atsushi
• 通讯作者: Kubo Atsushi