径向偏振光激发环偶极子

• 2020 年 11 月 10 日
• 筆記

径向偏振光激发环偶极子—论文赏析

环形偶极子

（原文见文末参考文献）
1957年，前苏联科学家Zel’dovich教授为解决原子物理和核物理中弱相互作用的宇称破缺问题，首次提出了环偶极子的概念。环形偶极子是一种区别于电偶极子和磁偶极子的电磁波激发源，它对材料的一些基本特性如吸收、色散等光学响应有重要影响。环形偶极子共振可以明显减少材料的
辐射损耗，从而形成一种高品质因子的光学共振腔——环形偶极子共振腔。这种共振腔模式的激发能够极大地促进光和物质的相互作用，继而实现诸如低阈值半导体激光器、高灵敏度传感器、光开关和光调制器等重要的光学器件。
然而，在自然界中，其辐射能量远远弱于电偶极子或磁偶极子因为很难在实验中观测到。而合理的设计超材料单元结构，可以实现环偶极子的产生。

径向偏振光

偏振是光场最重要的矢量特征之一，现今众多光学仪器与系统的应用原理均以光场的矢量本质及其与物质相互作用为基础。偏振光与物质相互作用现象在光学探测与计量、显示、光通信、数据储存、材料科学、天文及生物医学等领域已得到广泛地应用。早先的相关研究主要集中在空间均匀偏振光（例如线偏振光，椭圆偏振光，圆偏振光等），这类光场不依赖于其横截面的空间位置。然而，随着技术的不断发展与需求的不断扩大，人们开始思考如何得到偏振态随空间位置变化的光场。研究表明，如果对光波偏振态的空间分布进行有目的的调控，引入某些非均匀的偏振态分布，便可以引发一系列新颖的光学效应与现象。这种偏振态空间分布不均匀的光束称为矢量光束。相对于标量光场，在同一时刻，矢量光场的同一波前上不同空间位置处具有不同偏振态。矢量光场在表面等离子体、超分辨成像、光学微加工及光学微操控等方面具有巨大的潜在应用。
柱矢量光束是矢量光束一个典型的例子，其偏振态相对于光束中心轴对称分布。理论上，柱矢量光束是矢量亥姆霍兹方程在柱坐标系下的一个特征解，在光束中心处偏振态的不确定性（即存在偏振奇点）导致此处的光强为零。


为什么要使用径向偏振光呢？此前报导的基于环偶极子的超材料结构都较为复杂，这是由于线偏振光空间反演的对称性，所以只能通过超材料结构的几何设计来实现环偶极子的产生。
这篇文献使用了径向偏振光作为入射光，从而简化了超材料结构设计的复杂性，值得一品。

超材料结构及结果分析

该结构表面为六聚体，材料为金；介质层材料为SiO2；底板为金，如图(a所示)。使用的入射光—径向偏振光的电场分布如图(b)所示。计算结果表明，该结构在波长为785nm处具有共振峰，图（c），其磁场分布如图(d)所示，产生一个明显的磁场闭环响应。

计算结果表明，z方向的环形偶极子在多极子展开散射中占据主导。

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