基于双色光发射电子显微技术的SPP近场成像

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表面等离极化激元(Surface Plasmon Polaritons,SPP)具有高近场增强和突破衍射极限等特性,在光通讯、光子芯片、传感、增强表面拉曼光谱和高亮度光阴极等方面有着重要的应用潜力。为进一步推动表面等离激元的应用,对其进行快速、无干扰、清晰地成像就显得尤为重要。光辐射电子显微镜(Photoemission Electron Microscopy,PEEM)凭借其成像过程无需引入探针、可具有极高的时空分辨能力、成像速度快等优点成为表面等离激元成像的重要手段。特别是随着近年来双色PEEM的出现,其优势更加明显。本文主要开展双色光辐射电子显微镜对金纳米凹槽诱导SPP的成像研究,具体内容包括以下三点:(1)通过时域有限差分法(Finite-difference Time-domain,FDTD)对银和金凹槽结构分别在400 nm和800 nm波长光激发下的近场分布进行模拟仿真,明确了双色PEEM成像SPP的适用条件。结果表明,在银表面由于400 nm光自身产生的条纹会与800 nm光激发SPP条纹产生明显的纠缠,不利于双色PEEM对SPP静态条纹的表征;对于金表面来说,相比于400 nm光,800 nm光激发金表面凹槽产生的SPP传播距离远大于前者。因此,在金表面上400 nm光对800 nm光激发SPP近场条纹的影响可忽略。总之,金表面对于400 nm+800 nm双色PEEM表征SPP静态条纹的方案更为适合。(2)实验研究了单色与双色PEEM表征SPP条纹的成像效果。研究表明,双色飞秒光激发不仅显著提升了光发射电子产额,而且通过对比单/双色激发条件下SPP条纹对比度,发现双色PEEM图像中SPP条纹的对比度要显著高于单色激发条件(最高约4倍)。通过分析单/双色条件下明暗条纹处光电子发射阶次,揭示了双色成像提升成像效果的物理机制:双色飞秒光激发条件下SPP明条纹位置量子通道开启程度相对于暗条纹更高。(3)研究了400 nm飞秒光偏振角度对于800 nm飞秒光激发SPP近场PEEM图像的影响规律。分析了沿槽激发SPP与垂直于槽激发SPP条纹对比度与400 nm飞秒光偏振角度的关系。研究结果显示,垂直槽激发与沿槽激发SPP条纹亮度都随着400nm飞秒光偏振角度的增大(从0°变为90°)而降低。进一步,我们也分析了二者相同变化趋势的物理机制。
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