Трехмерный расчет фокусировки лазерного излучения коническим диэлектрическим зондом
Дегтярев С.А.

 

Институт систем обработки изображений РАН – филиал ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН, Самара, Россия,
Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева, Самара, Россия

Аннотация:
В работе с использованием метода конечных элементов, реализованного в программном пакете Comsol, выполнен трёхмерный расчёт фокусировки TE-поляризованного Гауссова пучка с помощью конических диэлектрических зондов (тейперов) с малым углом при вершине от 8 до 27 градусов. Результаты расчётов показали, что в трёхмерной модели, равно как и в двумерной, конический зонд при малых изменениях угла при вершине может вместо фокусирующего становиться рассеивающим и наоборот. Однако интервалы значений углов раскрыва, обеспечивающие тейперу фокусирующие или рассеивающие свойства, в двумерном и трёхмерном случае отличаются друг от друга. Показано, что период перехода от фокусировки к рассеянию у трёхмерного тейпера примерно в два раза больше, чем у двумерного.

Ключевые слова :
конический диэлектрический зонд, полное внутреннее отражение, действительный и мнимый фокусы, метод конечных элементов.

Цитирование:
Дегтярев, С.А. Трёхмерный расчёт фокусировки лазерного излучения коническим диэлектрическим зондом / С.А. Дегтярев // Компьютерная оптика. – 2016. – Т. 40, № 4. – С. 588-593. – DOI: 10.18287/2412-6179-2016-40-4-588-593.

Литература:

  1. Novotny, L. Principles of Nano-Optics / L. Novotny, B. Hecht. – Cambridge: Cambridge University Press, 2006. – DOI: 10.1017/CBO9780511813535. – 539 p.
  2. Zhu, B. Inexpensive and easy fabrication of multi-mode tapered dielectric circular probes at millimeter wave frequencies / B. Zhu, J. Stiens, V. Matvejev, R. Vounckx // Progress In Electromagnetics Research. – 2012. – Vol. 126. – P. 237-254. – DOI: 10.2528/PIER12010203.
  3. Устинов, А.В. Расчёт комплексной функции пропускания рефракционных аксиконов / А.В. Устинов, С.Н. Хонина // Компьютерная оптика. – 2011. – Т. 35, № 4. – С. 480-490.
  4. McLeod, J.H. The axicon: a new type of optical element / J.H. McLeod // Journal of the Optical Society of America. – 1954. – Vol. 44(8). – P. 592-597. – DOI: 10.1364/JOSA.44.000592.
  5. Jaroszewicz, Z. Axicon – the most important optical element / Z. Jaroszewicz, A. Burvall, A.T. Friberg // Optics & Photonics News. – 2005. – Vol. 16(4). – P. 34-39. – DOI: 10.1364/OPN.16.4.000034.
  6. Durnin, J. Diffraction-free beams / J. Durnin, J.J. Miceli, Jr., J.H. Eberly // Physical Review Letters. – 1987. – Vol. 58. – P. 1499-1501. – DOI: 10.1103/PhysRevLett.58.1499.
  7. McGloin, D. Bessel beams: diffraction in a new light / D. McGloin, K. Dholakia // Contemporary Physics. – 2005. – Vol. 46, Issue 1. – P. 15-28. – DOI: 10.1080/0010751042000275259.
  8. Denk, W. Near-field optics: microscopy with nanometer-size fields / W. Denk and D. W. Pohl // Journal of Vacuum Science & Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures. – 1991. – Vol. 9, Issue 2. – P. 510-513. – DOI: 10.1116/1.585558.
  9. Babadjanian, A.J. Superfocusing of surface polaritons in the conical structure / A.J. Babadjanyan, N.L. Margaryan, Kh.V. Nerkararyana // Journal of Applied Physics. – 2000. – Vol. 87(8). – P. 3785-3788. – DOI: 10.1063/1.372414.
  10. Goncharenko, A.V. Electric near-field enhancing properties of a finite-size metal conical nano-tip / A.V. Goncharenko, H.-C. Chang, J.-K. Wang // Ultramicroscopy. – 2007. – Vol. 107, Issues 2-3. – P. 151-157. – DOI: 10.1016/j.ultramic.2006.06.004.
  11. Antosiewicz, T.J. Nanofocusing of radially polarized light with dielectric-metal-dielectric probe / T.J. Antosiewicz, P. Wróbel, T. Szoplik // Optics Express. – 2009. – Vol. 17, Issue 11. – P. 9191-9196. – DOI: 10.1364/OE.17.009191.
  12. Choo, H. Nanofocusing in a metal–insulator–metal gap plasmon waveguide with a three-dimensional linear taper / H. Choo, M.- K. Kim, M. Staffaroni, T.J. Seok, J. Bokor, S. Cabrini, P.J. Schuck, M.C. Wu, E. Yablonovitch // Nature Photonics. – 2012. – Vol. 6, Issue 12. – P. 838-844. – DOI: 10.1038/nphoton.2012.277.
  13. Berweger, S. Light on the tip of a needle: plasmonic nanofocusing for spectroscopy on the nanoscale / S. Berweger, J.M. Atkin, R.L. Olmon, M.B. Raschke // Journal of Physical Chemistry Letters. – 2012. – Vol. 3, Issue 7. – P. 945-952. – DOI: 10.1021/jz2016268.
  14. Stockle, R.M. Brighter near-field optical probes by means of improving the optical destruction threshold / R.M. Stockle, N. Schaller, V. Deckert, C. Fokas, R. Zenobi // Journal of Microscopy. – 1999. – Vol. 194(2-3). – P. 378-382. – DOI: 10.1046/j.1365-2818.1999.00524.x.
  15. Kuchmizhak, A.A. Optical apertureless fiber microprobe for surface laser modification of metal films with sub-100 nm resolution / A. A. Kuchmizhak, Y.N. Kulchin, O.B. Vitrik, A.G. Savchuk, S.V. Makarov, S.I. Kudryashov, A.A. Ionin // Optics Communications. – 2013. – Vol. 308. – P. 125-129. – DOI: 10.1016/j.optcom.2013.06.051.
  16. Yakunin, S. Microgrinding of lensed fibers by means of a scanning-probe microscope setup / S. Yakunin, J. Heitz // Applied Optics. – 2009. – Vol. 48, Issue 32. – P. 6172-6177. – DOI: 10.1364/AO.48.006172.
  17. Mohanty, S.K. Organization of microscale objects using a microfabricated optical fiber / S.K. Mohanty, K.S. Mohanty, M.W. Berns // Optics Letters. – 2008. – Vol. 33(18). – P. 2155-2157. – DOI: 10.1364/OL.33.002155.
  18. Устинов, А.В. Дифракция на аксиконе с учётом нескольких внутренних отражений / А.В. Устинов, С.А. Дегтярев, С.Н. Хонина // Компьютерная оптика. – 2015. – Т. 39, № 4. – С. 500-507. – DOI: 10.18287/0134-2452-2015-39-4-500-507.
  19. De, A. Numerical analysis of two dimensional tapered dielectric waveguide / A. De, G.V. Attimarad // Progress In Electromagnetics Research. – 2004. – Vol. 44. – P. 131-142. – DOI: 10.2528/PIER03062001.
  20. Degtyarev, S.A. Transmission of focused light signal through an apertured probe of a near-field scanning microscope / S.A. Degtyarev, S.N. Khonina // Pattern Recognition and Image Analysis. – 2015. – Vol. 25(2). – P. 306-313. – DOI: 10.1134/S1054661815020078.
  21. Khonina, S.N. Narrowing of a light spot at diffraction of linearly-polarized beam on binary asymmetric axicons / S.N. Khonina, D.V. Nesterenko, A.A. Morozov, R.V. Skidanov, V.A. Soifer // Optical Memory and Neural Networks (Information Optics). – 2012. – Vol. 21(1). – P. 17-26. – DOI: 10.3103/S1060992X12010043.
  22. 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(8). – 085704 (9 pp). – DOI: 10.1088/2040-8978/15/8/085704.
  23. Alferov, S.V. Study of polarization properties of fiber-optics probes with use of a binary phase plate / S.V. Alferov, S.N. Khonina, S.V. Karpeev // Journal of the Optical Society of America A. – 2014. – Vol. 31(4). – P. 802-807. – DOI: 10.1364/JOSAA.31.000802.
  24. Khonina, S.N. High-aperture binary axicons for the formation of the longitudinal electric field component on the optical axis for linear and circular polarizations of the illuminating beam / S.N. Khonina, D.A. Savelyev // Journal of Experimental and Theoretical Physics. – 2013. – Vol. 117(4). – P. 623-630. – DOI: 10.1364/JOT.83.000197.
© 2009, IPSI RAS
Institution of Russian Academy of Sciences, Image Processing Systems Institute of RAS, Russia, 443001, Samara, Molodogvardeyskaya Street 151; E-mail: ko@smr.ru; Phones: +7 (846) 332-56-22, Fax: +7 (846) 332-56-20