(45-4) 05 * << * >> * Русский * English * Содержание * Все выпуски

Управление ближнепольной фокусировкой мезоразмерной бинарной фазовой пластинки в поле оптического излучения с круговой поляризацией
Ю.Э. Гейнц 1, О.В. Минин 2,3, Е.К. Панина 1, И.В. Минин 2,3

Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН,
634055, Россия, г. Томск, площадь Академика Зуева, д. 1,
Сибирский государственный университет геосистем и технологий,
630108, Россия, г. Новосибирск, Плахотного, д. 10,
Национальный исследовательский Томский политехнический университет,
634050, Россия, г. Томск, Ленина, д. 30

 PDF, 1085 kB

DOI: 10.18287/2412-6179-CO-878

Страницы: 512-519.

Аннотация:
Бинарные зонные пластики Френеля являются одними из наиболее часто используемых фокусирующих элементов плоскостных оптических схем в микро- и нанофотонике. При уменьшении диаметра и фокального расстояния зонных пластин до мезоволновых размеров на параметры области фокусировки начинают существенно влиять особенности конструктивного дизайна зонных пластин (материал, толщина, глубина рельефа). Путём численного FEM-моделирования прохождения оптической волны через бинарную фазовую зонную пластну исследована пространственная структура формирующегося в ближнем поле фокуса. Показано, что существует диапазон оптимальной глубины травления канавок пластинки, а также толщин подложки, при которых реализуется наилучшая фокусировка падающей оптической волны в плане максимальной интенсивности поля и минимального размера фокального пятна. Кроме того, предложен концепт суперфокусирующей бинарной фазовой зонной пластики с иммерсионным слоем в форме усечённого конуса из материала зонной пластики, что позволило численно реализовать фокусировку циркулярно поляризованного излучения света в субдифракционное пятно с полушириной порядка "Lambda"/2n (n – показатель преломления зонной пластики).

Ключевые слова:
бинарная зонная пластинка, ближнепольная фокусировка, численное моделирование.

Благодарности
Работа частично выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования в рамках выполнения работ по Государственному заданию ИОА СО РАН в части моделирования мезоволновой ЗП и частично в рамках Программы повышения конкурентоспособности Томского политехнического университета.

Цитирование:
Гейнц, Ю.Э. Управление ближнепольной фокусировкой мезоразмерной бинарной фазовой пластинки в поле оптического излучения с круговой поляризацией / Ю.Э. Гейнц, О.В. Минин, Е.К. Панина, И.В. Минин // Компьютерная оптика. – 2021. – Т. 45, № 4. – С. 512-519. – DOI: 10.18287/2412-6179-CO-878.

Citation:
Geints YE, Minin OV, Panina EK, Minin IV. Controlling near-field focusing of a mesoscale binary phase plate in an optical radiation field with circular polarization. Computer Optics 2021; 45(4): 512-519. DOI: 10.18287/2412-6179-CO-878.

Литература:

  1. Berry, M.V. Evanescent and real waves in quantum billiards and Gaussian beams / M.V. Berry // Journal of Physics A: Mathematical and General. – 1994. – Vol. 27. – P. L391-L398. – DOI: 10.1088/0305-4470/27/11/008.
  2. Chen, G. Superoscillation: from physics to optical applications / G. Chen, Z.-Q. Wen, C.-W. Qiu // Light: Science & Applications. – 2019. – Vol. 8. – 56. – DOI: 10.1038/s41377-019-0163-9.
  3. Lim, C.S. Microlens array fabrication by laser interference lithography for super-resolution surface nanopatterning / C.S. Lim, M.H. Hong, Y. Lin, Q. Xie, B.S. Luk’yanchuk, A. Senthil Kumar, M. Rahman // Applied Physics Letters. – 2006. – Vol. 89, Issue 19. – 191125. – DOI: 10.1063/1.2374809.
  4. Terris, B.D. Near-field optical data storage / B.D. Terris, H.J. Mamin, D. Rugar // Applied Physics Letters. – 1996. –Vol. 68. – P. 141-143. – DOI: 10.1063/1.112341.
  5. Minin, I.V. Recent trends in optical manipulation inspired by mesoscale photonics and diffraction optics / I.V. Minin, O.V. Minin // Journal of Biomedical Photonics & Engineering. – 2020. – Vol. 6, Issue 2. – 020301 (8 p.). – DOI: 10.18287/JBPE20.06.020301.
  6. Minin, I.V. 3D diffractive lenses to overcome the 3D Abbe subwavelength diffraction limit / I.V. Minin, O.V. Minin // Chinese Optics Letters. – 2014. – Vol. 12, Issue 6. – 060014. – DOI: 10.3788/COL201412.060014.
  7. Menon, R. Experimental characterization of focusing by high-numerical-aperture zone plates / R. Menon, D. Gil, H.I. Smith // Journal of the Optical Society of America A. – 2006.  – Vol. 23, Issue 3. – P. 567-571. – DOI 10.1364/JOSAA.23.000567.
  8. Fu, Y. Plasmonic microzone plate: Superfocusing at visible regime / Y. Fu, W. Zhou, L.E.N. Lim, C.L. Du, X.G. Luo // Applied Physics Letters. – 2007. – Vol. 91. – 061124. – DOI: 10.1063/1.2769942.
  9. Mote, R.G. Near-field properties of zone plates in visible regime – New insights / R.G. Mote, S.F. Yu, B.K. Ng, W. Zhou, S.P. Lau // Optics Express. – 2008. – Vol. 16, Issue 13. – P. 9554-9564. – DOI: 10.1364/OE.16.009554.
  10. Mote, R.G. Experimental demonstration of near-field focusing of a phase micro-Fresnel zone plate (FZP) underlinearly polarized illumination / R.G. Mote, S.F. Yu, A. Kumar, W. Zhou, X.F. Li // Applied Physics B. – 2011. – Vol. 102, Issue 1. – P. 95-100. – DOI: 10.1007/s00340-010-4210-8.
  11. Mote, R.G. Subwavelength focusing behavior of high numerical aperture phase Fresnel zone plates under various polarization states / R.G. Mote, S.F. Yu, W. Zhou, X.F. Li // Applied Physics Letters. – 2009. – Vol. 95. – 191113. – DOI: 10.1063/1.3263728.
  12. Minin, I.V. Investigation of the resolution of phase correcting Fresnel lenses with small values of F/D and subwavelength focus / I.V. Minin, O.V. Minin, N. Gagnon, A. Petosa // Computer Optics. – 2006. – Vol. 30. – P. 65-68.
  13. Minin, I.V. Experimental verification 3D subwavelength resolution beyond the diffraction limit with zone plate in millimeter wave / I.V. Minin, O.V. Minin // Microwave and Optical Technology Letters. – 2014. – Vol. 56, Issue 10. – P. 2436-2439. – DOI: 10.1002/mop.28614.
  14. Principles of optics: electromagnetic theory of propagation, interference and diffraction of light / M. Born, E. Wolf. – Oxford: Pergamon Press, 1959. – 829 p.
  15. Kakichashvili, Sh.D. Zone plate with an anisotropy profile / Sh.D. Kakichashvili, Z.V. Wardosanidze // Pis'ma v Zhurnal Tekhnicheskoi Fiziki. – 1989. – Vol. 15. – P. 41-44.
  16. Dorn, R. The focus of light – linear polarization breaks the rotational symmetry of the focal spot / R. Dorn, S. Quabis, G. Leuchs // Journal of Modern Optics. – 2003. – Vol. 50, Issue 12. – P. 1917-1926. – DOI: 10.1080/09500340308235246.
  17. Richards, B. Electromagnetic diffraction in optical systems. II. Structure of the image field in an aplanatic system / B. Richards, E. Wolf // Proceedings of the Royal Society A: Mathematical Physical Engineering Sciences. – 1959. – Vol. 253, Issue 1274. – P. 358-379. – DOI: 10.1098/rspa.1959.0200.
  18. Dorn, R. Sharper focus for a radially polarized light beam / R. Dorn, S. Quabis, G. Leuchs // Physical Review Letters. – 2003. – Vol. 91, Issue 23. – 233901. – DOI: 10.1103/PhysRevLett.91.233901.
  19. Khonina, S.N. Diffraction at binary microaxicons in the near field / S.N. Khonina, D.A. Savelyev, I.A. Pustovoi, P.G. Serafimovich // Journal of Optical Technology. – 2012. Vol. 79, Issue 10. – P. 626-631. – DOI: 10.1364/JOT.79.000626.
  20. Минин, И.В. Сканирующие свойства дифракционного элемента, формирующего аксиально-симметричный дифракционно ограниченный волновой пучок / И.В. Минин, О.В. Минин // Компьютерная оптика. – 2004. – Вып. 26. – С. 65-67.
  21. Khonina, S.N. Experimental demonstration of the generation of the longitudinal E-field component on the optical axis with high-numerical-aperture binary axicons illuminated by linearly and circularly polarized beams / S.N. Khonina, S.V. Karpeev, S.V. Alferov, D.A. Savelyev, J. Laukkanen, J. Turunen // Journal of Optics. – 2013. – Vol. 15. – 085704. – DOI: 10.1088/2040-8978/15/8/085704.
  22. Chen, W.T. Flat optics with dispersion-engineered metasurfaces / W.T. Chen, A.Y. Zhu, F. Capasso // Nature Reviews Materials. – 2020. – Vol. 5. – P. 604-620. – DOI: 10.1038/s41578-020-0203-3.
  23. Wu, J. The application of Fresnel zone plate based projection in optofluidic microscopy / J. Wu, X. Cui, L.M. Lee, C. Yang // Optics Express. – 2008. – Vol. 16, Issue 2. – P. 15595-15602. – DOI: 10.1364/OE.16.015595.
  24. Xie, W. On-chip multiwavelength achromatic thin flat lens / W. Xie, J. Yang, D. Chen, J. Huang, X. Jiang // Optics Communications. – 2021. – Vol. 484. – 126645. – DOI: 10.1016/j.optcom.2020.126645.
  25. Pang, S. Fluorescence microscopy imaging with a Fresnel zone plate array based optofluidic microscope / S. Pang, C. Han, L.M. Lee, C. Yang // Lab on a Chip. – 2011. – Issue 21. – P. 3698-3702. – DOI: 10.1039/C1LC20654K.
  26. StoutGrandy, S.M. Investigation of low profile Fresnel zone plate antennas / S.M. StoutGrandy, A. Petosa, I.V. Minin, O.V. Minin, J.S. Wight // Microwave and Optical Technology Letters. – 2008. – Vol. 50, Issue 8. – P. 2039-2043. – DOI: 10.1002/mop.23593.
  27. Zhang, Y. Diffraction theory of high numerical aperture subwavelength circular binary phase Fresnel zone plate / Y. Zhang, H. An, D. Zhang, G. Cui, X. Ruan // Optics Express. – 2014. – Vol. 22, Issue 22. – P. 27425-27436. – DOI: 10.1364/OE.22.027425.
  28. Johnson, P.B. Optical constants of the noble metals / P.B. Johnson, R.W. Christy // Physical Review B. – 1972. – Vol. 6, Issue 12. – P. 4370-4379. – DOI: 10.1103/PhysRevB.6.4370.
  29. Jones, A.R. The focal properties of phase zone plates / A.R. Jones // Journal of Physics D: Applied Physics. – 1969. – Vol. 2. – P. 1789-1791. – DOI: 10.1088/0022-3727/2/12/124.
  30. Green, M.A. Self-consistent optical parameters of intrinsic silicon at 300K including temperature coefficients / M.A. Green // Solar Energy Materials & Solar Cells. – 2008. – Vol. 92, Issue 11. – P. 1305-1310. – DOI: 10.1016/j.solmat.2008.06.009.
  31. Zhang, Y. Analysis of nearfield subwavelength focusing of hybrid amplitude–phase Fresnel zone plates under radially polarized illumination / Y. Zhang, C. Zheng, Y. Zhuang, X. Ruan // Journal of Optics. – 2014. – Vol. 16, Issue 1. – 015703. – DOI: 10.1088/20408978/16/1/015703.
  32. Barrett, H.H. Fresnel zone plate imaging of gamma rays: Theory / H.H. Barrett, F.A. Horrigan // Applied Optics. – 1973. – Vol. 12, Issue 11. – P. 2686-2702. – DOI: 10.1364/AO.12.002686.
  33. Brunner, R. Diffraction-based solid immersion lens / R. Brunner, M. Burkhardt, A. Pesch, O. Sandfuchs // Journal of the Optical Society of America A. – 2004. – Vol. 21, Issue 7. – P. 1186-1191. – DOI: 10.1364/JOSAA.21.001186.
  34. Zhang, Y. Solid immersion Fresnel zone plate in digital holography & 3-D imaging meeting / Y. Zhang, X. Qian, X. Ruan, H. Zhu // OSA Technical Digest (Optical Society of America). – 2015. – paper DW2A.15. – DOI: 10.1364/DH.2015.DW2A.15.
  35. Suyama, T. The focusing characteristics on the binary phase sub-wavelength Fresnel zone plate / T. Suyama // International Journal of Physics. – 2019. – Vol. 7, Issue 3. – P. 86-90. – doi: 10.12691/ijp-7-3-3.
  36. Geints, Yu.E. Photonic jets from resonantly-excited transparent dielectric microspheres / Yu.E. Geints, A.A. Zemlyanov, E.K. Panina // Journal of the Optical Society of America B. – 2012. – Vol. 29, Issue 4. – P. 758-762. – DOI: 10.1364/JOSAB.29.000758.
  37. Minin, I.V. Photonic lenses with whispering gallery waves at Janus particles [Electronical Resource] / I.V. Minin, O.V. Minin, Y. Cao, B. Yan, Z. Wang, B. Luk'yanchuk // ArXiv: 2012.09489. – 2020. – URL: https://arxiv.org/abs/2012.09489 (request date 04.02.2021).
  38. Minin, I.V. Millimeter wave binary photon sieve Fresnel zone plate: FDTD analysis / I.V. Minin, O.V. Minin // Progress in Electromagnetics Research Letters. – 2013. – Vol. 43. – P. 149-154. – DOI: 10.2528/PIERL13091614.
  39. Minin, I.V. Shadowing effect in curvilinear diffractive lens antennas / I.V. Minin, O.V. Minin // 2005 Asia-Pacific Microwave Conference Proceedings. – 2005. – Vol. 4. – 3 p. – DOI: 10.1109/APMC.2005.1606853.
  40. Stafeev, S.S. Tight focus of light using micropolarizer and microlens / S.S. Stafeev, L. O’Faolain, V.V. Kotlyar, A.G. Nalimov // Applied Optics. – 2015. – Vol. 54, Issue 14. – P. 4388-4394. – DOI: 10.1364/AO.54.004388.
  41. Lee, S.Y. Hard X-ray microbeam lithography using a Fresnel zone plate with a long focal length / S.Y. Lee, I.H. Cho, J.M. Kim, H.C. Kang, D.Y. Noh // Journal of Synchrotron Radiations. – 2011. – Vol. 18. – P. 143-147. – DOI: 10.1107/S0909049510044535.
  42. Bouloumis, T.D. From far-field to near-field micro- and nanoparticle optical trapping / T.D. Bouloumis, S.N. Chormaic // Applied Sciences. – 2020. – Vol. 10, Issue 4. – P. 1375. – doi: 10.3390/app10041375.
  43. Minin, I.V. Optical manipulation of micro- and nanoobjects based on structured mesoscale particles: a brief review / I.V. Minin, O.V. Minin, Yu.E. Geints, E.K. Panina, A. Karabchevsky // Atmospheric and Oceanic Optics. – 2020. – Vol. 33, Issue 5. – P. 404-469. – DOI: 10.1134/S1024856020050115.
  44. Pacheco-Peña, V. Zoned fishnet lens antenna with optimal reference phase for side lobe reduction / V. Pacheco-Peña, M. Navarro-Cía, B. Orazbayev, I.V. Minin, O.V. Minin, M. Beruete // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. – 2015. – Vol. 63, Issue 8. – P. 3710-3714. – DOI: 10.1109/TAP.2015.2432855.
  45. Minin, I.V. Concept of near-field millimeter-wave imaging system with a spatial resolution beyond the Abbe barrier / I.V. Minin, O.V. Minin // Proceedings of the China-Japan Joint Microwave Conference. – 2008. – P. 509-512. – DOI: 10.1109/CJMW.2008.4772481.
  46. Schonbrun, E. Scanning microscopy using a short-focal-length Fresnel zone plate / E. Schonbrun, W.N. Ye, K.B. Crozier // Optics Letters. – 2009. – Vol. 34, Issue 14. – P. 2228-2230. – DOI: 10.1364/OL.34.002228.

© 2009, IPSI RAS
Россия, 443001, Самара, ул. Молодогвардейская, 151; электронная почта: journal@computeroptics.ru; тел: +7 (846) 242-41-24 (ответственный секретарь), +7 (846) 332-56-22 (технический редактор), факс: +7 (846) 332-56-20