徑向偏振光激發環偶極子

• 2020 年 11 月 10 日
• 筆記

徑向偏振光激發環偶極子—論文賞析

環形偶極子

（原文見文末參考文獻）
1957年，前蘇聯科學家Zel’dovich教授為解決原子物理和核物理中弱相互作用的宇稱破缺問題，首次提出了環偶極子的概念。環形偶極子是一種區別於電偶極子和磁偶極子的電磁波激發源，它對材料的一些基本特性如吸收、色散等光學響應有重要影響。環形偶極子共振可以明顯減少材料的
輻射損耗，從而形成一種高品質因子的光學共振腔——環形偶極子共振腔。這種共振腔模式的激發能夠極大地促進光和物質的相互作用，繼而實現諸如低閾值半導體雷射器、高靈敏度感測器、光開關和光調製器等重要的光學器件。
然而，在自然界中，其輻射能量遠遠弱於電偶極子或磁偶極子因為很難在實驗中觀測到。而合理的設計超材料單元結構，可以實現環偶極子的產生。

徑向偏振光

偏振是光場最重要的矢量特徵之一，現今眾多光學儀器與系統的應用原理均以光場的矢量本質及其與物質相互作用為基礎。偏振光與物質相互作用現象在光學探測與計量、顯示、光通訊、數據儲存、材料科學、天文及生物醫學等領域已得到廣泛地應用。早先的相關研究主要集中在空間均勻偏振光（例如線偏振光，橢圓偏振光，圓偏振光等），這類光場不依賴於其橫截面的空間位置。然而，隨著技術的不斷發展與需求的不斷擴大，人們開始思考如何得到偏振態隨空間位置變化的光場。研究表明，如果對光波偏振態的空間分布進行有目的的調控，引入某些非均勻的偏振態分布，便可以引發一系列新穎的光學效應與現象。這種偏振態空間分布不均勻的光束稱為矢量光束。相對於標量光場，在同一時刻，矢量光場的同一波前上不同空間位置處具有不同偏振態。矢量光場在表面等離子體、超分辨成像、光學微加工及光學微操控等方面具有巨大的潛在應用。
柱矢量光束是矢量光束一個典型的例子，其偏振態相對於光束中心軸對稱分布。理論上，柱矢量光束是矢量亥姆霍茲方程在柱坐標系下的一個特徵解，在光束中心處偏振態的不確定性（即存在偏振奇點）導致此處的光強為零。


為什麼要使用徑向偏振光呢？此前報導的基於環偶極子的超材料結構都較為複雜，這是由於線偏振光空間反演的對稱性，所以只能通過超材料結構的幾何設計來實現環偶極子的產生。
這篇文獻使用了徑向偏振光作為入射光，從而簡化了超材料結構設計的複雜性，值得一品。

超材料結構及結果分析

該結構表面為六聚體，材料為金；介質層材料為SiO2；底板為金，如圖(a所示)。使用的入射光—徑向偏振光的電場分布如圖(b)所示。計算結果表明，該結構在波長為785nm處具有共振峰，圖（c），其磁場分布如圖(d)所示，產生一個明顯的磁場閉環響應。

計算結果表明，z方向的環形偶極子在多極子展開散射中佔據主導。

[1]: Bao, Y. et al. Plasmonic Toroidal Dipolar Response under Radially Polarized Excitation. Sci. Rep. 5, 11793; doi: 10.1038/srep11793 (2015).