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April 2016 veröffentlichtDieser Artikel wurde aktualisiertMetaoberflächen mit Subwellenlängenmerkmalen sind beim Modulieren der Phase, Amplitude oder Polarisation von elektromagnetischen Feldern nützlich.Während mehrere Anwendungen zur Lichtmanipulation und -steuerung berichtet werden, wären die scharfen Phasenänderungen nützlich, um die Strahlverschiebungen bei Reflexion von einer Metaoberfläche zu verbessern.In entworfenen periodischen Mustern auf einem Metallfilm demonstrieren wir bei Oberflächenplasmonresonanz eine Goos-Hanchen-Verschiebung in der Größenordnung des 70-fachen der einfallenden Wellenlänge und Winkelverschiebungen von mehreren hundert Mikroradian.Wir haben die Muster unter Verwendung von rigoroser gekoppelter Wellenanalyse (RCWA) zusammen mit S-Matrizen entworfen und eine vollständige Vektortheorie verwendet, um die Verschiebungen zu berechnen, sowie einen vielseitigen experimentellen Aufbau zu demonstrieren, um die Verschiebungen direkt zu messen.Die demonstrierten riesigen Verschiebungen könnten sich als nützlich erweisen, um die Empfindlichkeit von Experimenten zu verbessern, die von der Rasterkraftmikroskopie bis zum Nachweis von Gravitationswellen reichen.Metaoberflächen sind 2-dimensionale Äquivalente von Metamaterialien mit Merkmalen, die kleiner als die Wellenlänge sind und speziell entwickelt wurden, um die Phase, Amplitude oder Polarisation eines elektromagnetischen Feldes zu modulieren.Die bisherigen Berichte umfassten Designer-Metaoberflächen für flache Optiken bis hin zu flexiblen Metaoberflächen, nichtlinearen und aktiven Metaoberflächen, die gesteuert werden können, anisotrope Metaoberflächen für dispersionslose Reaktion, Miniaturhohlräume, Antennen, Wellenleiter, komplexe Modenerzeugung durch Einführen von Subwellenlängenmerkmalen in die beugenden Aperturen dazwischen andere, die in aktuellen Übersichtsartikeln behandelt wurden1,2,3,4,5.Oberflächen können auch so gestaltet werden, dass sie scharfe Phasenänderungen aufweisen, die die Reflexion eines optischen Strahls bewirken.Ein von einer Grenzfläche reflektierter Strahl erfährt je nach Polarisation und Strahlprofil räumliche und winkelmäßige Verschiebungen.Räumliche Verschiebungen sind die bekannte Goos-Hänchen (GH)-Verschiebung in der Einfallsebene und die Imbert-Fedorov-Verschiebung senkrecht zur Einfallsebene6,7,8.Winkelverschiebungen, die vom Strahlprofil abhängen, wurden kürzlich von Merano et al.9 demonstriert.Artmann berechnete die GH-Verschiebung durch Kombinieren der Fresnel-Koeffizienten mit den Ausdrücken für die Phasenverschiebung für eine ebene Welle und zeigte, dass es eine Polarisationsabhängigkeit in der lateralen Verschiebung gibt10.Dies wurde als Folge des Vorhandenseins einer evaneszenten Komponente des Felds jenseits der Grenzfläche angesehen.Strengere Formulierungen wurden basierend auf der Poynting-Vektoranalyse, strengen Integralen, Kohärenzmatrizen und Winkelspektrumdarstellungen vorgeschlagen11,12,13,14.Techniken, die für die Reflexion an ebenen Grenzflächen verwendet wurden, wurden von Guther und Kleeman auf gemusterte Oberflächen ausgedehnt, die ein Integralgleichungssystem-Verfahren mit Parametrisierung des periodischen Profils verwendeten, um die Verschiebung und Form der von einem sinusförmigen Gitter gebeugten Strahlen zu berechnen15,16.Die Winkelverschiebungen wurden experimentell kaum untersucht9, obwohl es seit mehreren Jahrzehnten eine theoretische Behandlung17 für den Strahl gibt, der in der Nähe des Brewster-Winkels reflektiert wird.Bretenaker et al.18 demonstrierten eine neuartige Methode zur Messung der GH-Verschiebung bei Einzelreflexion, indem sie sich die Differenz zwischen den s- und p-polarisierten reflektierten Strahlen zunutze machten.Darauf folgte die Untersuchung verstärkter Verschiebungen an einer Wood'schen Anomalie in einem metallischen Gitter19.Anschließend folgte die Messung von Verschiebungen bei Einfachreflexion an metallischen Oberflächen20.Yinet al.zeigten, dass große GH-Verschiebungen bei Reflexion von einer Metall-(Silber-)Oberfläche existieren, wenn Oberflächenplasmonen angeregt werden21.Große Verschiebungen wurden auch für in sich geschlossene Lichtstrahlen demonstriert22.Für die jüngsten theoretischen und experimentellen Fortschritte auf diesem Gebiet kann man den Übersichtsartikel von Bliokh und Aiello23 konsultieren.Typischerweise wird erwartet, dass die GH-Verschiebung an einer ebenen metallischen Grenzfläche mit der Wellenlänge des Lichts vergleichbar ist.Daher sind für jede praktische Anwendung Möglichkeiten zur Verbesserung der Verschiebungen erforderlich.Im Allgemeinen wird eine Verstärkung erwartet, wenn es eine große Modulation der komplexen Amplitude des reflektierten Felds gibt, wie es nahe dem kritischen Winkel bei der Totalreflexion (TIR) ​​und während der Anregung verschiedener Oberflächenmoden der Fall ist.Ein neuerliches Interesse an Strahlverschiebungen führte zur Demonstration einer schwachen Messung von Verschiebungen24,25,26 sowie zu Anwendungen beim Erfassen und Schalten27,28.Es wurden allgemeine theoretische Modelle zur Berechnung der Verschiebungen für einfallende Strahlen beliebiger Polarisation vorgestellt29, sowie ein vereinheitlichtes Modell, das auf die Oberschwingungserzeugung angewendet wird, wodurch gezeigt wird, dass auch der an einer metallischen Grenzfläche erzeugte Strahl der zweiten Oberschwingung die Verschiebung erfährt30.Die stark variierenden Winkelabweichungen der Strahlen, die bei einer solchen Resonanz auftreten, haben potenzielle Anwendungen in der Sensorik9.Angesichts der jüngsten Arbeiten wäre es interessant, gemusterte Oberflächen zu entwerfen, die für solche riesigen Strahlverschiebungen optimal sind.Im aktuellen Bericht erweitern wir unsere allgemeine Formulierung von Verschiebungen auf Gittergrenzflächen und Winkelverschiebungen bei Oberflächenplasmonresonanz.Anschließend demonstrieren wir einen robusten, hochauflösenden Versuchsaufbau, der die plasmonenverstärkte Verschiebung eines p-polarisierten Strahls in Bezug auf einen s-polarisierten Referenzstrahl direkt messen kann.Wir untersuchen eine Metaoberfläche, die aus großflächigen (~4 mm2) Polymethylmethacrylat (PMMA)-Gittern auf einem optisch dicken Goldfilm (250 nm) besteht.Die optischen Eigenschaften dieser Gitter wurden mit rigoroser Analyse gekoppelter Wellen (RCWA)31,32,33 berechnet.Diese Berechnungen geben Einblick in die Dispersionsbeziehung verschiedener SPP-Modi, die in der Struktur vorhanden sind.Wir haben die Gitterkonfiguration so entworfen, dass die SPP-Resonanz bei 785 nm für einen Einfallswinkel von 10,3° auftritt.Das spiegelnde Reflexionsvermögen des Gitters weist einen starken Abfall auf, der mit der SP-Resonanz verbunden ist, wie in Fig. 1(a) gezeigt.RCWA wurde verwendet, um die reflektierten und übertragenen Feldamplituden in der Luft-Gitter-Grenzfläche zu berechnen, wenn die komplexe Feldamplitude der einfallenden ebenen Welle und ihre Polarisation gegeben ist.Die Amplituden können verwendet werden, um die Goos-Hänchen-Verschiebung zu berechnen, wie im folgenden Abschnitt beschrieben.Die optischen Eigenschaften der hergestellten Gittermetaoberflächen (Abb. 1b) stimmen mit den Vorhersagen unserer Berechnungen überein (Abb. 1c).(a) Ein Konturdiagramm des berechneten Spiegelreflexionsvermögens der hergestellten Gitter bei unterschiedlichen Einfallswellenlängen und Einfallswinkeln.Das dunkle Band entspricht der Anregung eines SP-Modus an der Grenzfläche.Die blauen Linien zeigen die Position der SP-Resonanz für die in den Experimenten verwendete Wellenlänge (785 nm).(b) Ein SEM-Bild des hergestellten Gitters.Es besteht aus PMMA-Streifen (dunkel) auf einer dicken Goldfolie (hell) auf einem Siliziumsubstrat.Die Länge des gelben Maßstabsbalkens beträgt 1 μm.(c) Gemessenes Reflexionsvermögen (blaue Quadrate) vom Gitter unter Verwendung von Licht der Wellenlänge 785 nm.Die durchgezogene Linie zeigt das unter Verwendung von RCWA berechnete Reflexionsvermögen.Die Goos-Hänchen-Verschiebung ist eine Folge der Variation der komplexen reflektierten Amplitude über die Wellenvektorverteilung des einfallenden Strahls endlicher räumlicher Ausdehnung.Es manifestiert sich als Verschiebung des Schwerpunkts der reflektierten Feldverteilung in Bezug auf das einfallende Feld an der Grenzfläche.Die Geometrie des Problems ist schematisch in Abb. 2 dargestellt. Um die Verschiebung des Strahls abzuschätzen, berechnen wir die Position dieses verschobenen Schwerpunkts.Dies kann wie folgt ausgewertet werden.Der einfallende Strahl wird zunächst in seine ebenen Wellenkomponenten zerlegt.Die Geometrie des untersuchten Problems.Die auf einem Detektor gemessene räumliche Goos-Hänchen-Verschiebung ist gegeben durch cos(θ) (Details siehe Text).Die Gesamtverschiebung beinhaltet jedoch Beiträge von Winkelabweichungen, die zu erheblichen Verschiebungen des Strahlschwerpunkts führen, wenn sich der reflektierte Strahl ausbreitet.Hier und wo .Nach dem in den Ref. 29 und 30 angegebenen Ansatz betrachten wir die Fourier-Transformation eines Gaußschen Strahls, dessen Feldverteilung einen Schwerpunkt bei x = 0 in der Ebene der Grenzfläche hat und sich mit einem zentralen Wellenvektor ausbreitet.Eine solche Feldverteilung wird durch den folgenden Ausdruck beschrieben,Dabei ist σy der Taillenradius des einfallenden Strahls.Auch als Folge von schrägem Einfall.Die reflektierten Feldamplituden können auch in Form von Gl.(1) als,Für eine einfache planare Grenzfläche könnte man die Fresnel-Reflexionsformeln verwenden, um diese reflektierten Feldamplituden aus den einfallenden Amplituden zu erhalten.Transfermatrizen bieten einen Berechnungsweg für geschichtete Medien, und RCWA kann für periodisch gemusterte Schnittstellen verwendet werden.Nach der Berechnung der reflektierten Amplitudenkoeffizienten kann der Schwerpunkt der reflektierten Feldverteilung in einer Ebene parallel zur Grenzfläche und positioniert bei z = z0 berechnet werden.Eine vollständige Behandlung der räumlichen und Winkelverschiebungen wird in den ergänzenden Informationen präsentiert, was zu dem folgenden Ausdruck führt, der sowohl die räumlichen als auch die Winkelverschiebungen enthält.Der obige Ausdruck für die Verschiebung des Strahlschwerpunkts in der Einfallsebene besteht aus zwei Teilen.Jeder von ihnen wird durch numerische Integration geschätzt.Die erste ist die räumliche GH-Verschiebung, die gleich der Gesamtverschiebung bei z = 0 ist und gegeben ist durch:Dieser Ausdruck reduziert sich auf Artmanns Ergebnis für langsam variierende Phasen10.Dies stimmt mit dem intuitiven Verständnis überein, dass die Verschiebungen tendenziell am größten sind, wenn es eine steile Änderung der Phase des reflektierten Felds in Bezug auf den Einfallswinkel gibt.Dies tritt typischerweise bei der Oberflächen-Plasmon-Resonanz-Bedingung für Grenzflächen auf, an denen Metalle beteiligt sind.Allerdings kann es bei scharfen Resonanzen zu Abweichungen für fokussierte Strahlen kommen (siehe Abb. 3a)34.(a) Die räumliche GH-Verschiebung (blau) bei SP-Resonanz an der Gitterschnittstelle für eine einfallende Wellenlänge von 785 nm, sanft fokussiert auf eine Taillengröße von ~ 160 μm an der Schnittstelle.Die grüne Kurve zeigt das Ergebnis der Artmannschen Formel.(b) Die Winkelabweichung (θ′− θ) vom erwarteten Reflexionswinkel.(c) Resultierende Strahlverschiebung berechnet für die Strahlparameter in (b) bei Ausbreitungsabständen 0 cm (blau), 12,8 cm (rot) und 52,8 cm (grün) entlang des reflektierten Strahlengangs.Der zweite Teil in Gl.(4) ist die Winkelverschiebung.Dies tritt auf, wenn es einen Gradienten des Reflexionsvermögens über die k-Raum-Ausbreitung des einfallenden Strahls gibt.Als Ergebnis erfahren für einen Strahl mit einem Winkelspektrum endlicher Breite ebene Wellenkomponenten, die unterschiedlichen Einfallswinkeln entsprechen, unterschiedliche Reflektivitäten innerhalb des Strahls.Dadurch ändert sich die Richtung des reflektierten Strahls.Dies ist in Situationen ausgeprägter, in denen die Änderung des Reflexionsvermögens scharf ist, wie beispielsweise bei einer Oberflächenplasmonresonanz.Solche Effekte wurden von Guther und Kleemann15,16 diskutiert und auch von Merano et al.20 experimentell nachgewiesen.Der modifizierte Reflexionswinkel θ 'ist gegeben durchDie Abweichung vom erwarteten Reflexionswinkel (θ′ − θ) variiert mit dem Einfallswinkel, wie in Abb. 3b gezeigt.Die Verschiebung der Position des Strahlschwerpunkts aufgrund der Winkelabweichung ist proportional zur Ausbreitungsdistanz des reflektierten Strahls.Bei Ausbreitung über eine ausreichende Distanz neigt der Winkelbeitrag zur Strahlverschiebung dazu, den räumlichen GH-Verschiebungsbeitrag zu überwältigen (Fig. 3c).Die gebräuchlichste Methode zur Messung der GH-Verschiebung bestand darin, periodisch zwischen s- und p-Polarisation umzuschalten und den Positionsunterschied mit einer Kombination aus Quadrant-Fotodiode (QPD) und Lock-in-Verstärker zu messen.Bei der Anwendung dieses Verfahrens muss man jedoch sehr darauf achten, dass die reflektierten Intensitäten für s- und p-Polarisationen gleich sind.Wenn nicht, enthält das Signal auch einen Beitrag aus der Intensitätsdifferenz zwischen den s- und p-polarisierten Reflexionen.Daher wäre es keine getreue Messung der Strahlverschiebung mehr.Um diese Einschränkung zu überwinden, haben Li et al.schlug die Strahlteiler-Abtastmethode vor35.Wir schlagen eine neuartige Messtechnik mit hoher Empfindlichkeit vor, wie im Schema von Abb. 4(a) gezeigt.Bei dieser Technik wird ein positionsempfindlicher Detektor QPD über den Querschnitt des Strahls um seinen Schwerpunkt herum gescannt, und das Differenzsignal von dem Detektor wird an verschiedenen Detektorpositionen aufgezeichnet.Die Messungen wurden gleichzeitig für s- und p-Polarisationen durchgeführt, ohne die experimentelle Konfiguration anderweitig zu verändern.Durch Anpassen einer geraden Linie an die bei einem solchen Scan gemessenen Datenpunkte kann man den x-Schnittpunkt genau bestimmen, der die Position des Strahlschwerpunkts ist.Daher ist die Differenz in den x-Schnittpunkten der beiden geraden Linien die Differenz zwischen der GH-Verschiebung für s- und p-Polarisationen (siehe Fig. 4b).Der Vorteil der Verwendung eines solchen Ansatzes ist zweifach.In der Nähe des Schwerpunkts ist das Signal von der QPD klein und elektronisches Rauschen kann die Messung erheblich beeinflussen.Abseits des Schwerpunkts ist das elektronische Rauschen jedoch viel kleiner als das QPD-Signal.Durch Extrahieren des x-Schnittpunkts aus der Geradenanpassung an die Daten wird die Genauigkeit der Messung erheblich verbessert.Zweitens, wenn der Detektor über den Schwerpunkt des Strahls geführt wird, wirken sich Änderungen aufgrund von Schwankungen (und sogar Unterschieden zwischen s- und p-) der einfallenden Intensität auf dem Detektor nur auf die Steigung der geraden Linienanpassungen und nicht auf die Position der Schnittpunkte aus .Daher muss man die Antwort des QPD in Bezug auf die einfallende Intensität nicht kalibrieren.Dieses Verfahren hat sich als robust und unempfindlich gegenüber Schwankungen der Intensität erwiesen.(a) Der Versuchsaufbau zur Messung der Verschiebungen.(b) Probendaten, die während eines Scans des Detektors erfasst wurden.Das Verfahren zum Erhalten der x-Abschnitte unter Verwendung einer geraden Linienanpassung wurde veranschaulicht.Der gelb schattierte Bereich (entsprechend dem Abstand zwischen den x-Schnittpunkten von s- und p-polarisierten Strahlen) zeigt die relative Verschiebung zwischen den s- und p-Polarisationen an.Wie in Abb. 4a gezeigt, verwenden wir einen Diodenlaser (Schafter + Kirchhoff LNC-56CM-785-35-B23-A8-H-6), der bei 785 nm arbeitet.Eine Halbwellenplatte, gefolgt von einem Polarisator, wurde verwendet, um die Intensität und die lineare Polarisation des verwendeten Lichts zu steuern.Die horizontalen und vertikalen Polarisationskomponenten werden dann unter Verwendung eines polarisierenden Strahlteilers (PBS) geteilt.Die beiden Komponenten werden mit einem Doppelschlitz-Chopperrad mit unterschiedlichen Frequenzen zerhackt.Die Strahlen werden dann unter Verwendung eines zweiten PBS rekombiniert und das Licht wird in eine polarisationserhaltende optische Faser (Thor Labs P1-780PM-FC-1) eingekoppelt.Der Ausgang der optischen Faser wird dann sanft (Taillengröße ≈160 μm) auf die Gitterstruktur fokussiert, die auf einem Rotationstisch montiert ist.Die Strahltaille befindet sich an der Luftgitterschnittstelle.Die Verschiebung wird mit einem QPD-Modul (New Focus 2901) gemessen, das auf einem motorisierten Tisch (Newport MFA-PPD) oder einem Piezotisch (PiezoJena Tritor 400) montiert ist.Der QPD-Ausgang wird geteilt und mit zwei Lock-in-Verstärkern (Stanford Research Systems SR-830) verbunden, die auf die beiden Zerhackerfrequenzen synchronisiert sind.Unter Verwendung unterschiedlicher Modulationsfrequenzen für die beiden Polarisationen können die Schwerpunktpositionen sowohl der s- als auch der p-Polarisation in einer einzigen Abtastung des Detektors erfasst werden.Dies hat sich als sehr effektiv erwiesen, um die Dauer der Datenerfassung sowie die Auswirkungen einer Strahldrift (falls vorhanden) während der Messungen zu reduzieren.Der experimentelle Aufbau ermöglicht auch die Messung der Strahlintensitätsprofile mit einer Kamera, indem je nach Bedarf entweder die s- oder p-polarisierten Strahlen blockiert werden.Experimentelle Messungen der Verschiebung unter Verwendung dieser Vorrichtung sind in Fig. 5a, b (erweiterte Ansicht nahe Resonanz) gezeigt.Diese gemessenen Verschiebungen zeigen eine gute Übereinstimmung mit theoretischen Vorhersagen (gerade Linien) nach Berücksichtigung des Effekts aufgrund der Winkelabweichung.Um die Auswirkungen der Winkelabweichungen und Ausbreitung des reflektierten Strahls zu veranschaulichen, wurden Messungen der Verschiebung in verschiedenen Abständen vom Gitter durchgeführt.Diese Merkmale verursachen signifikante Änderungen in der Schwerpunktposition des reflektierten Strahls, wenn der Strahl sich über größere Entfernungen ausbreiten kann.Diese Positionsänderungen sind groß genug, um mit einer einfachen CMOS-Kamera leicht beobachtet zu werden (siehe Abb. 5c–e).Interessanterweise gibt es ab einer bestimmten Ausbreitungsdistanz einen Punkt, an dem die Strahlposition mit der bei verschiebungsfreier euklidischer Reflexion erwarteten Position des reflektierten Strahlflecks übereinstimmt.Der Betrieb um diesen Punkt herum könnte sich bei genauen Erfassungstechnologien als nützlich erweisen.Experimentelle Messungen der Strahlverschiebungen mit dem in Abb. 4 dargestellten Aufbau.(a) Messung der gesamten Strahlverschiebung.Gemessene Strahlverschiebungen mit einem kollimierten einfallenden Lichtstrahl (blau) und mit einem leicht fokussierten einfallenden Strahl auf eine Strahltaille ~160 μm bei unterschiedlichen Ausbreitungsabständen 12,8 cm (rot) und 52,8 cm (grün) des reflektierten Strahls.Durchgezogene Linien zeigen die theoretischen Vorhersagen in Fig. 3 und die Symbole bezeichnen experimentell gemessene Werte.Fehlerbalken geben die Standardabweichung des Satzes von Messwerten für jeden Einfallswinkel an.(b) Eine vergrößerte Ansicht des Verhaltens der Strahlverschiebung in der Nähe der Stelle, an der die Verschiebung Null wird.Die sehr scharfe Änderung der Strahlposition bei einer kleinen Änderung des Einfallswinkels wird deutlich demonstriert.(c,d) CCD-Bilder des Strahlprofils der reflektierten s- bzw. p-polarisierten Strahlen nahe der Resonanz bei einem Ausbreitungsabstand von etwa 12 cm.(e) Die normalisierten Strahlprofile, die durch Summieren von Spalten der Intensitätsdaten für s- (grün) und p- (blau) polarisierte Strahlen erhalten werden.Die Größe jedes Pixels beträgt 3,6 μm.Bei einem Einfallswinkel von etwa 10 Grad regt die übertragene Ordnung +1 einen Oberflächenplasmonenmodus in der Gitterstruktur bei einer Wellenlänge von 785 nm an.Dies führt zu einer resonanten Kopplung der Energie aus dem einfallenden Feld in den SPP-Modus.Die Position der Resonanz, die aus dem Abfall des Spiegelreflexionsvermögens geschätzt wird, variiert mit dem Einfallswinkel, wie in Fig. 1a für PMMA-Gitter auf einer Goldoberfläche gezeigt.Es wird erwartet, dass die mit der Resonanz verbundenen großen Phasensprünge im reflektierten Licht zu einer großen GH-Verschiebung führen.Diese Verstärkung der positiven GH-Verschiebung geht aus den experimentell gemessenen Werten hervor.Es gibt eine Verstärkung der Verschiebung bei Resonanz auf das bis zu 70-fache der Wellenlänge des einfallenden Lichts.Ein Vorteil solcher Gitter besteht darin, dass man in der Lage ist, eine verbesserte GH-Verschiebung bei einer Vielzahl von Geometrien und Wellenlängen zu erhalten, je nach experimenteller Bequemlichkeit, indem man das Gitter geeignet konstruiert.Dies steht im Gegensatz zur Prismenkonfiguration, bei der der Einfallswinkel notwendigerweise nahe dem kritischen Einfallswinkel liegt.Die hier berichteten plasmonenverstärkten Strahlverschiebungen sind vergleichbar mit denen, die in Gittern bei einer Wood'schen Anomalie erhalten werden19.Ein weiterer Aspekt funktioneller nanostrukturierter Grenzflächen, der von erheblichem Nutzen ist, ist ihre physikalisch kompakte Natur.Um die Verschiebungen an Grenzflächen geringer räumlicher Ausdehnung zu untersuchen, muss der einfallende Strahl fokussiert werden, um den gesamten Strahlquerschnitt auf der Funktionsfläche unterzubringen.Dies führt zu einer Streuung der einem solchen Strahl zugeordneten Wellenvektorwerte.Innerhalb dieser Streuung dämpft die scharfe Natur der Plasmonenresonanz abhängig vom Einfallswinkel relativ zum Resonanzwinkel einen bestimmten Abschnitt der kx-Verteilung mehr als den anderen.Dies führt zu einer Abweichung der Ausbreitungsrichtung des reflektierten Strahls vom erwarteten Reflexionswinkel.Je nach Konvergenzwinkel des einfallenden Strahls kann dies einen erheblichen Einfluss auf die gemessenen Strahlverschiebungen haben.Die Winkelabweichung des p-polarisierten reflektierten Strahls ändert das Vorzeichen bei dem Einfallswinkel, wo die Resonanz auftritt.Besonders interessant ist, dass die Änderung von einem negativen Wert zu einem positiven Wert über einen sehr kleinen Bereich des Einfallswinkels erfolgt.Trotz dieser großen Änderung wird das Strahlprofil nicht wesentlich verzerrt und behält seine symmetrische Natur um die Mitte bei, wie durch die in Abb. 5c, d gezeigten direkten Strahlprofilbilder angezeigt.Es sei darauf hingewiesen, dass man sogar mit einem Positionsdetektor, der mit einer Auflösung von 1 μm messen kann, in der Lage wäre, Winkelabweichungen in der Größenordnung von einigen zehn μrad auf einfache Weise zu messen.Solche Messungen können durchgeführt werden, ohne dass sich der Strahl über große Entfernungen von der reflektierenden Grenzfläche ausbreiten muss.Die beobachteten Variationen in den verstärkten Strahlverschiebungen treten über einen kleinen Bereich von Einfallswinkeln auf und können in einer genauen, auf Oberflächenplasmonresonanz basierenden Erfassung verwendet werden.Eine solche Empfindlichkeit könnte auch bei sehr empfindlichen Strahlablenkungsmessungen wie in AFM- oder Gravitationswellendetektionsexperimenten (LIGO) nützlich sein.Winkelabweichungen in reflektierten Strahlen können auch eine Rolle bei nichtlinearen optischen Phänomenen spielen, wie z. B. einer entarteten Vier-Wellen-Mischung in der Reflexionsgeometrie.Unter Verwendung von RCWA werden die Eigenmoden der Ausbreitung in jeder Schicht der Struktur berechnet und die S-Matrix-Methode wird verwendet, um nach den reflektierten Feldamplituden zu lösen.Die verwendete Methode basiert auf dem in Lit. 31 und 32 beschriebenen Verfahren. Diese Amplituden wurden verwendet, um das Reflexionsvermögen und die Strahlverschiebungen unter Verwendung der Gleichungen (5) und (6) zu berechnen.Optische Konstanten von Gold wurden durch Interpolation der Johnson-Christy-Daten36 mit einem kubischen Spline erhalten.Der Brechungsindex von PMMA wurde dem Materialdatenblatt des Herstellers37 entnommen.Um diese Phänomene experimentell zu untersuchen, wurden Gitter hergestellt, die aus PMMA-Streifen auf Metall bestehen.Ein 250 nm dicker Goldfilm wurde auf eine 10 nm dicke Chrom-Haftschicht auf einem Siliziumsubstrat gesputtert.Da die Skin-Tiefe für eine Wellenlänge von 785 nm in Gold etwa 26 nm beträgt, verhält sich die Schicht effektiv wie massives Gold und kann als Goldhalbraum behandelt werden.Anschließend wurde eine 4-prozentige Lösung von PMMA in Anisol (MicroChem PMMA 495 A4) so ​​aufgeschleudert, dass die Schichtdicke etwa 133 nm beträgt.Anschließend wurden Gitter mit einer Periode von 800 nm und einer Rillenbreite von 420 nm auf dieser Schicht unter Verwendung von Elektronenstrahllithographie unter Verwendung eines Raith eLine-Systems mit einer Schreibtechnik mit feststehender Strahlbewegungsbühne gemustert.Mit dieser Funktion konnte ein Gitter der Abmessung 2 mm × 2 mm innerhalb weniger Stunden belichtet werden.Die Parameter wurden so gewählt, dass bei einem Einfallswinkel von 10,3° eine starke Oberflächenplasmonresonanz mit der +1-Sendeordnung existiert.Die Gitterparameter wurden mittels SEM- und AFM-Charakterisierung gemessen, und es wurde sichergestellt, dass die Gitter von hoher Qualität sind.Zusammenfassend würden gemusterte Oberflächen mit Merkmalen im Subwellenlängenbereich zu großen Strahlverschiebungen führen.Ein rigoroses Vektormodell sowohl für räumliche als auch Winkelstrahlverschiebungen an Gittern mit metallischen Grenzflächen wurde vorgestellt.Um die Nützlichkeit dieser Formulierung zu demonstrieren, haben wir dielektrische Gitter auf einer Goldoberfläche entworfen und hergestellt.Als Folge der scharfen Oberflächen-Plasmonresonanz in solchen Gittern können beträchtliche räumliche und Winkelverschiebungen in den reflektierten Strahlen beobachtet werden.Um diese Phänomene zu demonstrieren, wurde ein robuster experimenteller Aufbau zur Messung der Verschiebung unter Verwendung eines scannenden positionsempfindlichen optischen Detektors demonstriert.Wir haben gezeigt, dass die Eigenschaften der räumlichen Verschiebung und Winkelabweichungen in der Einfallsebene gut mit der Formulierung übereinstimmen.Die scharfe Änderung des Vorzeichens der Strahlverschiebung aufgrund von Winkelabweichungen des reflektierten Strahls könnte in hochempfindlichen Winkelmessungen verwendet werden.Zitieren dieses Artikels: Yallapragada, VJ et al.Beobachtung riesiger Goos-Hänchen und Winkelverschiebungen an designten Metaflächen.Wissenschaft.Rep. 6, 19319;doi: 10.1038/srep19319 (2016).Eine Korrektur wurde veröffentlicht und ist sowohl der HTML- als auch der PDF-Version dieses Dokuments beigefügt.Der Fehler wurde im Papier behoben.Yu, N. & Capasso, F. 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Ravishankar, Gajendra L. Mulay & Venu Gopal AchantaInstitut für Physik, Oklahoma State University, Stillwater, 74078, OK, USASie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchenSie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchenSie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchenSie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchenSie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchenVGA und VJY hatten die Idee.Die GSA formulierte den theoretischen Rahmen für die Strahlverschiebungen.VJY führte die notwendigen rechnerischen und experimentellen Arbeiten mit APR und GLMVGA durch und VJY erstellte das Manuskript in Absprache mit allen.Die Autoren erklären keine konkurrierenden finanziellen Interessen.Dieses Werk ist unter einer Creative Commons Attribution 4.0 International License lizenziert.Die Bilder oder andere Materialien von Drittanbietern in diesem Artikel sind in der Creative Commons-Lizenz des Artikels enthalten, sofern in der Quellenangabe nicht anders angegeben;Wenn das Material nicht unter die Creative Commons-Lizenz fällt, müssen Benutzer die Erlaubnis des Lizenzinhabers einholen, um das Material zu reproduzieren.Um eine Kopie dieser Lizenz anzuzeigen, besuchen Sie http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/Yallapragada, V., Ravishankar, A., Mulay, G. et al.Beobachtung riesiger Goos-Hänchen und Winkelverschiebungen an designten Metaflächen.Sci Rep 6, 19319 (2016).https://doi.org/10.1038/srep19319DOI: https://doi.org/10.1038/srep19319Jeder, mit dem Sie den folgenden Link teilen, kann diesen Inhalt lesen:Leider ist für diesen Artikel derzeit kein teilbarer Link verfügbar.Bereitgestellt von der Content-Sharing-Initiative Springer Nature SharedItDurch das Absenden eines Kommentars erklären Sie sich mit unseren Nutzungsbedingungen und Community-Richtlinien einverstanden.Wenn Sie etwas missbräuchlich finden oder unseren Bedingungen oder Richtlinien nicht entsprechen, kennzeichnen Sie es bitte als unangemessen.Wissenschaftliche Berichte (Sci Rep) ISSN 2045-2322 (online)