表面等离激元超快操纵过程的时空成像系统及方法

本发明涉及等离激元，特别涉及一种表面等离激元超快操纵过程的时空成像系统及方法。

背景技术：

1、实现高速、高度集成的光电器件是纳米光子学领域中始终追求的目标。然而，传统的光电器件由于光学衍射极限的限制无法在亚波长尺度传输和处理信息。同时，传统的光电器件尽管具有亚波长的尺寸，却无法高带宽地传输信息。这严重阻碍了光电器件的进一步发展。表面等离激元(surface plasmon polariton，spp)具有突破传统衍射极限的能力，在真空中的群速度接近光速，提供了可高达太赫兹量级的信号带宽，是一种很有吸引力的信息载体，可用于光存储、光传感、光镊和表面增强拉曼散射等，并在下一代微型化电子电路和集成光学器件中的应用中备受关注。相较于传统的光电器件，基于spp的器件能够将纳米电子学的尺寸与介电光子学的速度和高带宽相结合交互，从而实现强大、超紧凑的片上互联电路，用于快速数据传输和信号处理，是打破当今器件发展摩尔定律的关键。因此，对spp的超快操纵过程的时空成像是对设计和开发高速，超紧凑的等离激元器件的必不可少的研究手段。

2、在传统的基于光发射电子显微镜(photoemission electron microscopy，peem)的时空成像spp的研究方案中，采用两束入射方向相同、波长相同、具有一定相对延时的泵浦和探测飞秒激光来照射样品器件，通过泵浦光激发样品中的spp束，再通过探测光与传输的spp束干涉成像，同时改变两束光的相对延时来实现对spp束在不同时刻下的时空成像。

3、在上述方案中，由于泵浦光和探测光都会与器件激发的spp束干涉并形成一定区域的静态干涉条纹，又由于peem成像的时间积分过程而无法排除这一静态干涉条纹，因此该方案中时空成像的区域需要远离器件的激发结构。同时，探测光与泵浦光以及激发的spp光束之间的干涉会导致对peem成像图案的复杂化，因此从peem图像中提取spp超快操纵过程的信息会更加困难。上述原因共同导致了这一时空成像方案大多用于研究spp在被动的传输过程中的演化过程，无法对器件附近的spp场的主动的超快操纵过程进行完整独立的时空成像。因此，提出并掌握对spp超快操纵过程的时空成像的方法对设计和研究开发一系列高速的等离激元器件(例如等离激元超快开关、等离激元逻辑门、等离激元超快分束器等)具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了克服已有技术的缺陷，提出一种表面等离激元超快操纵过程的时空成像系统及方法，通过设计合适的光路系统和复合悬链线结构，实现对贝塞尔spp束的超快操纵并对其时空成像。通过加入反向入射的探测光来获取光电子信号时间积分过程中特定时刻下的贝塞尔spp束的时空成像，通过多光子非线性过程和双色量子通道实现对贝塞尔spp束在超快操纵过程中的信息提取和处理，将贝塞尔spp束超快操纵过程中的不同操纵阶段都实现直接的独立成像表征，实现对超快操纵贝塞尔spp束的过程的检测研究。本发明相较于之前的peem成像方案，具有可高精度地时空成像，可对贝塞尔spp束完整的超快操纵过程中的各个步骤独立的成像表征，探测区域限制小等优点。

2、为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：

3、本发明提供的表面等离激元超快操纵过程的时空成像系统，包括飞秒激光器、激发操纵光模块、探测光模块、光发射电子显微镜和复合悬链线结构；其中，

4、飞秒激光器用于发出飞秒脉冲激光，飞秒脉冲激光经分束镜分为泵浦光和探测光，泵浦光入射至激发操纵光模块，探测光入射至探测光模块；

5、激发操纵光模块用于将泵浦光分为两束脉冲能量相同的激发光，分别入射到复合悬链线结构的表面，通过改变两束激发光的偏振态和延时，实现对复合悬链线结构上的贝塞尔表面等离激元束的激发和超快操纵；

6、探测光模块用于对探测光进行倍频，并改变探测光与泵浦光之间的相对延时后，入射至复合悬链线结构的表面，获取贝塞尔表面等离激元束在超快操纵过程中的时空信息；其中，探测光与泵浦光的入射角度相同且入射方向相反；

7、光发射电子显微镜用于捕获贝塞尔表面等离激元束在超快操纵过程中的时空成像；

8、复合悬链线结构包括基底、金属层和四组悬链线孔径阵列，金属层沉积在基底上，四组悬链线孔径阵列分别刻蚀在金属层上，四组悬链线孔径阵列沿长轴和短轴对称排布且互不平行。

9、优选地，激发操纵光模块为马赫-曾德尔干涉仪。

10、优选地，探测光模块包括bbo晶体、过滤片和纳米平移台，bbo晶体用于对探测光进行倍频，过滤片用于过滤掉未倍频的探测光，纳米平移台用于改变倍频后的探测光与泵浦光之间的相对延时。

11、优选地，每组悬链线孔径阵列由20个悬链线孔径组成，每个悬链线孔径的高度为550nm，宽度为742nm，间隔周期为400nm。

12、优选地，基底与金属层之间涂覆有氧化铟锡层，在氧化铟锡层与金属层之间沉积有钛粘附层。

13、本发明提供的表面等离激元超快操纵过程的时空成像方法，利用上述的时空成像系统实现，包括如下步骤：

14、s1、通过激发操纵光模块将泵浦光分为两束脉冲能量相同的激发光，分别沿复合悬链线结构的长轴方向进行辐照，激发贝塞尔表面等离激元束，通过改变两束激发光的偏振态和延时，实现对贝塞尔表面等离激元束的超快操纵；

15、s2、通过探测光模块对探测光进行倍频，并改变倍频后的探测光与泵浦光之间的相对延时后，以与泵浦光相同的入射角度、与泵浦光相反的入射方向对复合悬链线结构的探测区域进行辐照，获取贝塞尔表面等离激元束在超快操纵过程中的时空信息；

16、s3、通过光发射电子显微镜捕获贝塞尔表面等离激元束在超快操纵过程中的时空成像。

17、优选地，探测光、泵浦光与贝塞尔表面等离激元束相互作用共同开启双色量子通道。

18、本发明能够取得如下技术效果：

19、(1)可以有效提取同一区域内贝塞尔spp束的超快操纵过程的时空成像信息，探测光不需要在空间或者时间上与泵浦光完全分离。

20、(2)探测光的波长设置为泵浦光的一半，有效避免peem图像中出现因探测光与泵浦光或探测光与贝塞尔spp束之间干涉而形成复杂的干涉场图像。

21、(3)复合悬链线结构能实现贝塞尔spp束的激发和超快操纵。

技术特征：

1.一种表面等离激元超快操纵过程的时空成像系统，其特征在于，包括飞秒激光器、激发操纵光模块、探测光模块、光发射电子显微镜和复合悬链线结构；其中，

2.如权利要求1所述的表面等离激元超快操纵过程的时空成像系统，其特征在于，所述激发操纵光模块为马赫-曾德尔干涉仪。

3.如权利要求1所述的表面等离激元超快操纵过程的时空成像系统，其特征在于，所述探测光模块包括bbo晶体、过滤片和纳米平移台，所述bbo晶体用于对所述探测光进行倍频，所述过滤片用于过滤掉未倍频的探测光，所述纳米平移台用于改变倍频后的探测光与所述泵浦光之间的相对延时。

4.如权利要求1所述的表面等离激元超快操纵过程的时空成像系统，其特征在于，每组悬链线孔径阵列由20个悬链线孔径组成，每个悬链线孔径的高度为550nm，宽度为742nm，间隔周期为400nm。

5.如权利要求1所述的表面等离激元超快操纵过程的时空成像系统，其特征在于，所述基底与所述金属层之间涂覆有氧化铟锡层，在所述氧化铟锡层与所述金属层之间沉积有钛粘附层。

6.一种表面等离激元超快操纵过程的时空成像方法，利用权利要求1所述的时空成像系统实现，其特征在于，包括如下步骤：

7.如权利要求6所述的表面等离激元超快操纵过程的时空成像方法，其特征在于，所述探测光、所述泵浦光与所述贝塞尔表面等离激元束相同作用共同开启双色量子通道。

技术总结
本发明提供一种表面等离激元超快操纵过程的时空成像系统及方法，通过设计合适的光路系统和激发器件，实现对无衍射贝塞尔SPP的超快操纵并对其时空成像。通过加入反向入射的波长为400nm的探测光来获取光电子信号时间积分过程中特定时刻下的SPP时空成像，通过多光子非线性过程和双色量子通道实现对SPP超快时空操纵过程中的信息提取和处理，将SPP超快时空操纵过程中的不同操纵阶段都实现直接的独立成像表征，实现对超快时空操纵SPP的过程的检测研究。本发明相较于之前的PEEM成像方案具有可高精度地时空成像，可对SPP完整的超快操纵过程中的各个步骤独立的成像表征，探测区域限制更小等优点。

技术研发人员：季博宇,胡汉民,林景全
受保护的技术使用者：长春理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13