Emocionantes plasmones de superficie con acoplamiento de rejilla

No se preocupe, investigué en plasmones de superficie e incluso entonces pasé más de un año antes de que realmente entendiera, en un nivel intuitivo, cómo la luz recibe una 'patada' de la rejilla. Tiene razón en que es difracción en un ángulo de 90 grados con respecto a la normal, pero hay una manera más fácil de pensar en ello.

Dices que nunca has tomado un curso formal de óptica, así que hablaré un poco sobre las rejillas de difracción en general. Es posible que te hayas encontrado con uno antes y sepas que si un haz de luz lo golpea, se difracta en varios haces diferentes. Las rejillas de difracción transmisivas son lo que uno suele encontrar en la física de la escuela secundaria, por lo que ilustraré una a continuación:

Los números al final de cada viga se conocen como el orden $\nu$de ese rayo. La ecuación de rejilla es$d(\sin\theta_i + \sin\theta_o) = \nu\lambda$, donde d es la distancia entre líneas de la rejilla,$\lambda$es la longitud de onda de la luz,$\theta_i$es el ángulo de incidencia y$\theta_o$es el ángulo del haz saliente. En la ilustración anterior,$\theta_i$es cero

A continuación, consideramos una rejilla reflectante (por ejemplo, una pieza de metal con ranuras periódicas 1D), como en la siguiente ilustración:

Las mismas matemáticas gobiernan esta situación también. Notarás la$\nu=+2$el orden está muy cerca de rozar la superficie de la rejilla. Ajustar un poco el ángulo de incidencia haría que lo hiciera. En ese caso, tendría el vector de onda requerido para lanzar un plasmón de superficie, que es la condición de coincidencia de fase con la que comenzó. obtienes el$\beta = k\sin\theta\pm\nu g$cuando conviertes la fórmula de rejilla en vectores de onda (espacio recíproco), lo cual me da pereza hacer ahora.

Supongo que técnicamente se podría decir que la luz recibió un "golpe" de impulso del$\nu=-2$La orden se lanza en la dirección opuesta, pero pensar que la luz recibe una 'patada' es realmente engañoso en mi experiencia.

La condición proviene de la "coincidencia de fase", o en otras palabras, que el vector de onda del SPP ($\beta$en su ejemplo) coincide con el vector de onda del componente en el plano de la luz incidente.

Ahora, antes de que la luz llegue a la superficie, este vector de onda en el plano está dado por$k \sin \theta$, pero cuando golpea la rejilla, recibe una "patada" de impulso de$\pm vg$.

La razón por la que se requiere una rejilla es que el vector de onda del SPP$\beta$suele ser significativamente más grande que el vector de onda de espacio libre$k$.

Si no se cumple la condición de coincidencia de fase, entonces el SPP no se puede excitar, razón por la cual no se obtienen SPP simplemente al iluminar una interfaz metal-dieléctrica. Necesita la rejilla o algún otro mecanismo (generalmente mediante la formación de ondas evanescentes) para proporcionar el impulso adicional para excitar el SPP.

Sí, la luz puede cambiar la dirección de propagación cuando se dispersa desde una rejilla en direcciones predefinidas que dependen del ángulo de incidencia y el período de la rejilla (así como del medio refractivo en el que reside la rejilla). Esto es solo la Ley de Bragg. El cambio de dirección (o impulso) está determinado por los parámetros anteriores. Si lo desea, puede pensar en el cambio en el impulso como una "patada", aunque nunca antes lo había escuchado explicar de esa manera. De todos modos, la luz difractada puede acoplarse en un modo de rejilla de Polariton de plasmón superficial (SPP), también llamado modo SPP Bloch. Creo que, como mencionas, la luz difractada debe propagarse paralela a la superficie. Esto es similar a la condición TIR que se cumple en SPP con prisma acoplado. Debe acoplar a través de un material de índice más alto a través del metal (delgado) y en un material de índice más bajo para ver la resonancia SPP en el enfoque de acoplamiento de prisma. Esta condición se relaja cuando se utiliza el acoplamiento de rejilla.