(43-6) 09 * << * >> * Русский * English * Содержание * Все выпуски

Возможность генерации терагерцовых и инфракрасных поверхностных плазмон-поляритонов с орбитальным угловым моментом на цилиндрических проводниках с помощью дифракционных оптических элементов

Б.А. Князев1,2, О.Э. Камешков1,2, А.К. Никитин1,3, В.С. Павельев1,4,5, Ю.Ю. Чопорова1,2

1 Новосибирский государственный университет,
630090, Россия, г. Новосибирск, ул. Пирогова, д. 1,
2 Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера,
630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Лаврентьева, д. 11,
3 Научно-технологический центр уникального приборостроения РАН,
117342, Россия, г. Москва, ул. Бутлерова, д. 15,
4 Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва,
443086, Россия, г. Самара, Московское шоссе, д. 34,
5 ИСОИ РАН – филиал ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН,
443001, Россия, г. Самара, ул. Молодогвардейская, д. 151

 PDF, 984 kB

DOI: 10.18287/2412-6179-2019-43-6-992-1000

Страницы: 992-1000.

Аннотация:
Рассмотрены три оптические системы, использующие дифракционные оптические элементы для генерации поверхностных плазмон-поляритонов с орбитальным угловым моментом на осесимметричных проводниках. Во всех трёх системах падающее излучение сначала преобразуется бинарными спиральными фазовыми аксиконами в совокупность сходящихся к оптической оси плоских волн. В зоне пересечения этих волн формируется «закрученный» Бесселев пучок. Подогнав диаметр первого кольца Бесселева пучка к диаметру цилиндрического проводника, можно генерировать вращающийся поверхностный плазмон-поляритон методом дифракции на краю ("end-fire coupling"). Использование дополнительной линзы позволяет преобразовать возбуждающий поверхностный плазмон-поляритон Бесселев пучок в закрученный кольцевой пучок, диаметр которого не зависит от топологического заряда пучка. В третьей схеме сходящиеся плоские волны «перехватываются» цилиндрической металлической дифракционной решёткой, формирующей закрученные поверхностные плазмон-поляритоны на присоединенном к решётке цилиндрическом проводнике. Приведены примеры возможного использования предлагаемых систем в экспериментах на терагерцовом лазере на свободных электронах.

Ключевые слова:
поверхностные плазмон-поляритоны, терагерцовое и инфракрасное излучение, бинарный фазовый аксикон, цилиндрическая решётка.

Цитирование:
Князев, Б.А. Возможность генерации терагерцовых и инфракрасных поверхностных плазмон-поляритонов с орбитальным угловым моментом на цилиндрических проводниках с помощью дифракционных оптических элементов / Б.А. Князев, О.Е. Камешков, А.К. Никитин, В.С. Павельев, Ю.Ю. Чопорова // Компьютерная оптика. – 2019. – Т. 43, № 6. – С. 992-1000. – DOI: 10.18287/2412-6179-2019-43-6-992-1000.

Благодарности:
Работа выполнена при поддержке гранта РНФ 19-12-00103. В работе использованы результаты экспериментов с бинарными аксиконами, выполненных в ИЯФ СО РАН с использованием оборудования ЦКП «СЦСТИ» на базе УНУ «Новосибирский ЛСЭ».

Литература:
  1. Жижин, Г.Н. Спектроскопия поверхностных волн и свойства поверхности / Г.Н. Жижин, О.И. Капуста, М.А. Москалева, В.Г. Назин, В.А. Яковлев // Успехи физических наук. – 1975. – Т. 117(11). – С. 573-574.
  2. Zhizhin, G.N. Surface electromagnetic wave propagation on metal surfaces / G.N. Zhizhin, M.A. Moskaleva, E.V. Shomina, V.A. Yakovlev. – In: Surface polaritons. Electromagnetic waves at surfaces and interfaces / ed. by V.M. Agranovich, D.L. Mills. – Chap. 3. – Amsterdam, New York, Oxford: North-Holland Publishing Company, 1982.
  3. Raether, H. Surface plasmons on smooth and rough surfaces and on gratings / H. Raether. – Springer-Verlag, 1988. – P. 4-39.
  4. Майер, С.А. Плазмоника: теория и приложения / С.А. Майер. – М., Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2011.
  5. Gerasimov, V.V. Surface plasmon polaritons launched using a terahertz free-electron laser: propagation along a gold–ZnS–air interface and decoupling to free waves at the surface edge / V.V. Gerasimov, B.A. Knyazev, I.A. Kotelnikov, A.K. Nikitin, V.S. Cherkassky, G.N. Kulipanov, G.N. Zhizhin // Journal of Optical Society of America B. – 2013. – Vol. 30, Issue 8. – P. 2182-2190.
  6. Leuthold, J. Plasmonic communications: light on a wire / J. Leuthold, C. Hoessbacher, S. Muehlbrandt, A. Melikyan, M. Kohl, C. Koos, W. Freude, V. Dolores-Calzadilla, M. Smit, I. Suarez, J. Martínez-Pastor // Optics and Photonics News. – 2013. – Vol. 24, Issue 5. – P. 28-35.
  7. Davis, T.J. Plasmonic circuits for manipulating optical information / T.J. Davis, D.E. Gómez, A. Roberts // Nanophotonics. – 2017. – Vol. 6, Issue 3. – P. 543-559.
  8. Zhizhin, G.N. Edge effects due to propagation of surface IR / G.N. Zhizhin, M.A. Moskaleva, E.V. Shomina, V.A. Yakovlev // JETP Letters. – 1979. – Vol. 29, Issue 9. – P. 486-489.
  9. Nazarov, M. THz surface plasmon jump between two metal edges / M. Nazarov, J.L. Coutaz, A. Shkurinov, F. Garet // Optics Communications. – 2007. – Vol. 277, Issue 1. – P. 33-39.
  10. Gerasimov, V.V. Experimental investigations into capability of terahertz surface plasmons to bridge macroscopic air gaps / V.V. Gerasimov, B.A. Knyazev, A.K. Nikitin, G.N. Zhizhin // Optics Express. – 2015. – Vol. 23, Issue 26. – P. 33448-33459.
  11. Stockman, M.I. Roadmap on plasmonics / M.I. Stockman, K. Kneipp, S.I. Bozhevolnyi, S. Saha, A. Dutta, J. Ndukaife, N. Kinsey, H. Reddy, U. Guler, V.M. Shalaev, A. Boltasseva // Journal of Optics. – 2018. – Vol. 20, Issue 4. – 043001.
  12. Кузьмин, А.В. Поверхностные электромагнитные волны: от видимого диапазона до микроволн / А.В. Кузьмин, Б.А. Князев // Вестник НГУ, сер. Физика. – 2007. – Т. 2, Вып. 1. – С. 109-122.
  13. Begley, D.L. Propagation distances of surface electromagnetic waves in the far infrared / D.L. Begley, R.W. Alexander, C.A. Ward, R. Miller, R.J. Bell // Surface Science. – 1979. – Vol. 81, Issue 1. – P. 245-251.
  14. Koteles, E.S. Far infrared surface plasmon propagation / E.S. Koteles, W.H. McNeill // International Journal of Infrared, Millimeter and Terahertz Waves. – 1981. – Vol. 2. – P. 361-371.
  15. Schlesinger, Z. Attenuation and coupling of far infrared surface plasmons / Z. Schlesinger, B.C. Webb, A.J. Sievers // Solid State Communications. – 1981. – Vol. 39. – P. 1035-1039.
  16. Jeon, T.I. THz Zenneck surface wave (THz surface plasmon) propagation on a metal sheet / T.I. Jeon, D. Grischkowsky // Applied Physics Letters. – 2006. – Vol. 88, Issue 6. – 061113.
  17. Nazarov, M. Surface plasmon THz waves on gratings / M. Nazarov, F. Garet, D. Armand, A. Shkurinov, J.L. Coutaz // Comptes Rendus Physique. – 2008. – Vol. 9, Issue 2. – P. 232-247.
  18. Knyazev, B.A. Propagation of terahertz surface plasmon polaritons around a convex metal–dielectric interface / B.A. Knyazev, V.V. Gerasimov, A.K. Nikitin, I.A. Azarov, Y.Y. Choporova // Journal of Optical Society of America B. – 2019. – Vol. 36, Issue 6. – P. 1684-1689.
  19. Wang, K. Metal wires for terahertz wave guiding / K. Wang, D.M. Mittleman // Nature. – 2004. – Vol. 432, Issue 7015. – P. 376-379.
  20. Wang, K. Guided propagation of terahertz pulses on metal wires / K. Wang, D.M. Mittleman // Journal of Optical Society of America B. – 2005. – Vol. 22, Issue 9. – P. 2001-2008.
  21. Van der Valk, N.C. Effect of a dielectric coating on terahertz surface plasmon polaritons on metal wires / N.C. Van der Valk, P.C. Planken // Applied Physics Letters. – 2005. –Vol. 87, Issue 7. – 071106.
  22. Maier, S.A. Terahertz surface plasmon-polariton propagation and focusing on periodically corrugated metal wires / S.A. Maier, S.R. Andrews, L. Martin-Moreno, F.J. Garcia-Vidal // Physical Review Letters. – 2006. – Vol. 97, Issue 17. – 176805.
  23. Fernandez-Dominguez, A.I. Spoof surface plasmon polariton modes propagating along periodically corrugated wires / A.I. Fernandez-Dominguez, L. Martin-Moreno, F.J. Garcia-Vidal, S.R. Andrews, S.A. Maier // IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. – 2008. – Vol. 14, Issue 6. – P. 1515-1521.
  24. Rüting, F. Subwavelength chiral surface plasmons that carry tuneable orbital angular momentum / F. Rüting, A.I. Fernández-Domínguez, L. Martín-Moreno, F.J. García-Vidal // Physical Review B. – 2012. – Vol. 86, Issue 7. – 075437.
  25. Yao, H.Z. Wideband circularly polarized vortex surface modes on helically grooved metal wires / H.Z. Yao, S. Zhong // IEEE Photonics Journal. – 2015. – Vol. 7, Issue 6. – P. 1-7.
  26. Fernández-Domínguez, A.I. Terahertz surface plasmon polaritons on a helically grooved wire / A.I. Fernández-Domínguez, C.R. Williams, F.J. García-Vidal, L. Martín-Moreno, S.R. Andrews, S.A. Maier // Applied Physics Letters. – 2008. – Vol. 93, Issue 14. – 141109.
  27. Edelmann, A. Coupling of terahertz radiation to metallic wire using end-fire technique / A. Edelmann, L. Moeller, J. Jahns // Electronics Letters. – 2013. – Vol. 49, Issue 14. – P. 884-886.
  28. Edelmann, A. Shaping of electromagnetic fields for THz plasmonics / A. Edelmann, S. Helfert, J. Jahns // Proceedings of SPIE. – 2014. – Vol. 8999. – 899913.
  29. Knyazev, B.A. Generation of terahertz surface plasmon polaritons using nondiffractive Bessel beams with orbital angular momentum / B.A. Knyazev, Y.Y. Choporova, M.S. Mitkov, V.S. Pavelyev, B.O. Volodkin // Physical Review Letters. – 2015. – Vol. 115, Issue 16. – 163901. – DOI: 10.1103/PhysRevLett.115.163901.
  30. Choporova, Yu.Yu. High-power Bessel beams with orbital angular momentum in the terahertz range / Yu.Yu. Choporova, B.A. Knyazev, G.N. Kulipanov, V.S. Pavelyev, M.A. Scheglov, N.A. Vinokurov, B.O. Volodkin, V.N. Zhabin // Physical Review A. – 2017. – Vol. 96, Issue 2. – 023846. – DOI: 10.1103/PhysRevA.96.023846.
  31. Shevchenko, O.A. The Novosibirsk Free Electron Laser – unique source of terahertz and infrared coherent radiation / O.A. Shevchenko, V.S. Arbuzov, N.A. Vinokurov, P.D. Vobly, V.N. Volkov, Ya.V. Getmanov, Ya.I. Gorbachev, I.V. Davidyuk, O.I. Deychuly, E.N. Dementyev, B.A. Dovzhenko, B.A. Knyazev, E.I. Kolobanov, A.A. Kondakov, V.R. Kozak, E.V. Kozyrev, V.V. Kubarev, G.N. Kulipanov, E.A. Kuper, I.V. Kuptsov, G.Ya. Kurkin, S.A. Krutikhin, L.E. Medvedev, S.V. Motygin, V.K. Ovchar, V.N. Osipov, V.M. Petrov, A.M. Pilan, V.M. Popik V.V. Repkov, T.V. Salikova, I.K. Sedlyarov, S.S. Serednyakov, A.N. Skrinsky, S.V. Tararyshkin, A.G. Tribendis, V.G. Tcheskidov, K.N. Chernov, M.A. Scheglov // Physics Procedia. – 2016. – Vol. 84. – P. 13-18.
  32. Knyazev, B.A. Recent experiments at NovoFEL user stations / B.A. Knyazev, I.A. Azarov, E.N. Chesnokov, Yu.Yu. Choporova, V.V. Gerasimov, Ya.I. Gorbachev, Ya.V. Getmanov, B.G. Goldenberg, O.E. Kameshkov, P.V. Koshlyakov, I.A. Kotelnikov, A.S. Kozlov, V.V. Kubarev, G.N. Kulipanov, S.B. Malyshkin, A.K. Nikitin, P.A. Nikitin, N.D. Osintseva, V.S. Pavelyev, S.E. Peltek, A.K. Petrov, V.M. Popik, T.V. Salikova, M.A. Scheglov, S.S. Seredniakov, V.N. Shastin, O.A. Shevchenko, V.A. Shvets, D.A. Skorokhod, A.N. Skrinsky, S.L. Veber, N.A. Vinokurov, V.B. Voloshinov, R.Kh. Zhukavin // EPJ Web of Conferences. – 2018. – Vol. 195. – 00002. – DOI: 10.1051/epjconf/201819500002.
  33. Андреев, Н.Е. Формирование трубчатых бесселевых пучков света высокой мощности / Н.Е. Андреев, С.С. Бычков, В.В. Котляр, Л.Я. Марголин, Л.Н. Пятницкий, П.Г. Серафимович // Квантовая электроника. – 1996. – Т. 23, № 2. – С. 130-134.
  34. Князев, Б.А. Пучки фотонов с ненулевой проекцией орбитального момента импульса: новые результаты / Б.А. Князев, В.Г. Сербо // Успехи физических наук. – 2018. – Т. 188, Вып. 5. – С. 508-539.
  35. Kozlova, E.S. Tight focusing of laser light using a surface plasmon polariton in a silver nano-strip and nano-ring on silica glass / E.S. Kozlova, V.V. Kotlyar // Компьютерная оптика. – 2016. – Т. 40, № 5. – С. 629-634. – DOI: 10.18287/2412-6179-2016-40-5-629-634.
  36. Zhan, Q. Cylindrical vector beams: from mathematical concepts to applications / Q. Zhan // Advances in Optics and Photonics. – 2009. – Vol. 1. – P. 1-57.
  37. Chang, L. Analysis of the fiber-waveguide coupling efficiency and the resulting polarization dependent loss / L. Chang, X. Sun, H. Shang, P. Liu, T.J. Hall, D. Sun // 2017 International Conference on Numerical Simulation of Optoelectronic Devices (NUSOD). – 2017. – P. 155-156. – DOI: 10.1109/NUSOD.2017.8010038.
  38. Fisher, C. End-fire coupling efficiencies of surface plasmons for silver, gold, and plasmonic nitride compounds / C. Fisher, L.C. Botten, C.G. Poulton, R.C. McPhedran, C.M. de Sterke // Journal of Optical Society of America B. – 2016. – Vol. 33, Issue 6. – P. 1044-1054.
  39. Gerasimov, V.V. Growth of terahertz surface plasmon propagation length due to thin-layer dielectric coating / V.V. Gerasimov, B.A. Knyazev, A.G. Lemzyakov, A.K. Nikitin, G.N. Zhizhin // Journal of Optical Society of America B. – 2016. – Vol. 33, Issue 11. – P. 2196-2203.
  40. Arrizon, V. Efficient generation of an arbitrary nondiffracting Bessel beam employing its phase modulation / V. Arrizon, D. Sanchez-de-La-Llave, U. Ruiz, G. Mendez // Optics Letters. – 2009. – Vol. 34. – P. 1456-1458.
  41. Khonina, S.N. 3D transformations of light fields in the focal region implemented by diffractive axicons / S.N. Khonina, A.P. Porfirev // Applied Physics B. – 2018. – Vol. 124. – 191. – DOI: 10.1007/s00340-018-7060-4.
  42. Syubaev, S. Chirality of laser-printed plasmonic nanoneedles tunable by tailoring spiral shape pulses / S. Syubaev, A. Zhizhchenko, O. Vitrik, A. Porfirev, S. Fomchenkov, S. Khonina, S. Kudryashov, A. Kuchmizhak // Applied Surface Science. – 2019. – Vol. 470. – P. 526-534. – DOI: 10.1016/j.apsusc.2018.11.128.
  43. Mukina, L.S. Propagation of THz plasmon pulse on corrugated and flat metal surface / L.S. Mukina, M.M. Nazarov, A.P. Shkurinov // Surface Science. – 2006. – Vol. 600, Issue 20. – P. 4771-4776.

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