(44-6) 07 * << * >> * Русский * English * Содержание * Все выпуски

Формирование фотонных наноструй двумерными микропризмами
В.Д. Зайцев 1,2, С.С. Стафеев 1,2

1 ИСОИ РАН – филиал ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН,
443001, Россия, г. Самара, ул. Молодогвардейская, д. 151,

2 Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва,
443086, Россия, г. Самара, Московское шоссе, д. 34

 PDF, 1208 kB

DOI: 10.18287/2412-6179-CO-746

Страницы: 909-916.

Аннотация:
С помощью метода конечных элементов, реализованного в программном пакете COMSOL Multiphysics, численно исследовалась фокусировка лазерного излучения диэлектрическими призмами с треугольным профилем. Было показано, что двумерные треугольные призмы позволяют фокусировать свет в свободном пространстве в пятна с размерами меньше скалярного дифракционного предела. Например, призма из кварцевого стекла с шириной основания 60 мкм и высотой 28,5 мкм, освещаемая светом с длиной волны 4 мкм, формирует фотонную нанострую с максимальной интенсивностью, в 6 раз превышающей интенсивность падающего излучения, и шириной по полуспаду интенсивности, равной 0,38 от длины волны фокусируемого излучения. Размеры фокусного пятна можно уменьшать, если высота призмы подобрана таким образом, чтобы максимум интенсивности располагался внутри призмы. В частности, призма из титаната бария с высотой 21 мкм и шириной основания 60 мкм формирует непосредственно за своей вершиной фокусное пятно с шириной, по полуспаду интенсивности равной 0,25 от длины волны фокусируемого излучения.
     Было показано, что использование призмы приводит к меньшей зависимости ширины фокусного пятна от длины волны по сравнению с микроцилиндром. Например, у микроцилиндра из кварцевого стекла с диаметром 60 мкм смена длины волны с 3 мкм до 5 мкм приводит к изменению ширины пятна на 0,09 от длины волны фокусируемого излучения, а у призмы в среднем на 0,05 от длины волны фокусируемого излучения.

Ключевые слова:
фотонная наноструя, субволновая фокусировка, метод конечных элементов, диэлектрическая микропризма.

Благодарности
Работа выполнена при поддержке Российского Фонда Фундаментальных Исследований – грант 18-07-01122 в части «Фокусировка излучения треугольной призмой из кварцевого стекла», грант 18-07-01380 в части «Фокусировка излучения круглым цилиндром» и грант 18-29-20003 в части «Влияние показателя преломления на параметры фокусного пятна», и Министерства науки и высшего образования РФ в рамках выполнения работ по Государственному заданию ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН в части «Введение».

Цитирование:
Зайцев, В.Д. Формирование фотонных наноструй двумерными микропризмами / В.Д. Зайцев, С.С. Стафеев // Компьютерная оптика. – 2020. – Т. 44, № 6. – С. 909-916. – DOI: 10.18287/2412-6179-CO-746.

Citation:
Zaitsev VD, Stafeev SS. The photonic nanojets formation by two-dimensional microprisms. Computer Optics 2020; 44(6): 909-916. DOI: 10.18287/2412-6179-CO-746.

Литература:
  1. Geints, Yu.E. Modeling spatially localized photonic nanojets from phase diffraction gratings / Yu.E. Geints, A.A. Zemlyanov // Journal of Applied Physics. – 2016. –Vol. 119. – 15391. – DOI: 10.1063/1.4946846.
  2. Mahariq, I. Persistence of photonic nanojet formation under the deformation of circular boundary / I. Mahariq, V.N. Astratov, H. Kurt // Journal of Optical Society of America B. – 2016. – Vol. 33. – P. 535-542. – DOI: 10.1364/JOSAB.33.000535.
  3. Zhao, Z. Multispectral optical metasurfaces enabled by achromatic phase transition / Z. Zhao, M. Pu, H. Gao, J. Jin, X. Li, X. Ma, Y. Wang, P. Gao, X. Luo // Scientific Reports. – 2015. – Vol. 5. – 15781. – DOI: 10.1038/srep15781.
  4. Kozlova, E.S. Modeling the resonance focusing of a picosecond laser pulse using a dielectric microcylinder / E.S. Kozlova, V.V. Kotlyar, S.A. Degtyarev // Journal of Optical Society of America B. – 2015. – Vol. 32, Issue 11. – P. 2352-2357. – DOI: 10.1364/JOSAB.32.002352.
  5. Wei, P.-K. Focusing subwavelength light by using nanoholes in a transparent thin film / P.-K. Wei, W.-L. Chang, K.-L. Lee, E.-H. Lin // Optics Letters. – 2009. – Vol. 34, Issue 12. – P. 1867-1869.
  6. Khonina, S.N. Analysis of polarisation states at sharp focusing / S.N. Khonina, D.A. Savelyev, N.L. Kazanskiy // Optik. – 2016. – Vol. 127, Issue 6. – P. 3372-3378. – DOI: 10.1016/j.ijleo.2015.12.108.
  7. Li, X. Multifocal optical nanoscopy for big data recording at 30 TB capacity and gigabits/second data rate / X. Li, Y. Cao, N. Tian, L. Fu, M. Gu // Optica. – 2015. – Vol. 2. – P. 567-570. – DOI: 10.1364/OPTICA.2.000567.
  8. Yi, K.J. Enhanced Raman scattering by self-assembled silica spherical microparticles / K.J. Yi, H. Wang, Y.F. Lu, Z.Y. Yang // Journal of Applied Physics. – 2007. – Vol. 91. – 063528. – DOI: 10.1063/1.2450671.
  9. Bhuyan, M.K. Single-shot high aspect ratio bulk nanostructuring of fused silica using chirp-controlled ultrafast laser Bessel beams / M.K. Bhuyan, P.K. Velpula, J.P. Colombier, T. Olivier, N. Faure, R. Stoian // Applied Physics Letters. – 2014. – Vol. 94. – 02197. – DOI: 10.1063/1.4861899.
  10. Li, Y.-C. Manipulation and detection of single nanoparticles and biomolecules by a photonic nanojet / Y.-C. Li, H.-B. Xin, H.-X. Lei, L.-L. Liu, Y.-Z. Li, Y. Zhang, B.-J. Li // Light: Science and Applications. – 2016. – Vol. 5. – e16176. – DOI: 10.1063/1.2450671.
  11. McLeod, E. Subwavelength direct-write nanopatterning using optically trapped microspheres / E. McLeod, C.B. Arnold // Nature Nano. – 2008. – Vol. 3. – P. 413-417. – DOI: 10.1038/nnano.2008.150.
  12. Chang, W.-L. Fabricating subwavelength array structures using a near-field photolithographic method / W.-L. Chang, Y.-J. Chang, P.-K. Wei, P.H. Tsao // Applied Physics Letters. – 2006. – Vol. 88, Issue 10. – 101109.
  13. Zhang, B. Ultralong photonic nanojet formed by dielectric microtoroid structure / B. Zhang, J. Hao, Z. Shen, H. Wu, K. Zhu, J. Xu, J. Ding // Applied Optics. – 2018. – Vol. 57, Issue 28. – P. 8331-8337. – DOI: 10.1364/AO.57.008331.
  14. Liu, Y. Characteristics of photonic nanojets from two-layer dielectric hemisphere / Y. Liu, X. Liu, L. Li, W. Chen, Y. Chen, Y. Huang, Z. Xie // Chinese Physics B. – 2017. – Vol. 26, Issue 11. – 114201. – DOI: 10.1088/1674-1056/26/11/114201.
  15. Geints, Y.E. Photonic nanojet super-resolution in immersed ordered assembly of dielectric microsphere / Y.E. Geints, A.A. Zemlyanov // Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. – 2017. – Vol. 200. – P. 32-37. – DOI: 10.1016/j.jqsrt.2017.06.001.
  16. Darafsheh, A. Systematic study of the characteristics of the photonic nanojets formed by dielectric microcylinders / A. Darafsheh, D. Bollinger // Optics Communications. – 2017. – Vol. 402. – P. 270-275. – DOI: 10.1016/j.optcom.2017.06.004.
  17. Geints, Y.E. Comparative analysis of key parameters of "photonic nanojets" from axisymmetric nonspherical microparticles / Y.E. Geints, E.K. Panina, A.A. Zemlyanov // Proceedings of SPIE. – 2018. – Vol. 10833. – 1083312. – DOI: 10.1007/s11082-017-0958-y.
  18. Chen, Z. Photonic nanojet enhancement of backscattering of light by nanoparticles: a potential novel visible-light ultramicroscopy technique / Z. Chen, A. Taflove, V. Backman // Optics Express. – 2004. – Vol. 12. – P. 1214-1220. – DOI: 10.1364/OPEX.12.001214.
  19. Li, X. Optical analysis of nanoparticles via enhanced backscattering facilitated by 3-D photonic nanojets / X. Li, Z. Chen, A. Taflove, V. Backman // Optics Express. – 2005. – Vol. 13. – P. 526-533. – DOI: 10.1364/OPEX.13.000526.
  20. Huang, Y. Optimization of photonic nanojets generated by multilayer microcylinders with a genetic algorithm / Y. Huang, Z. Zhen, Y. Shen, C. Min, G. Veronis // Optics Express. – 2019. – Vol. 27, Issue 2. – P. 1310-1325. – DOI: 10.1364/OE.27.001310.
  21. Zhou, S. Effects of whispering gallery mode in microsphere super-resolution imaging / S. Zhou, Y. Deng, W. Zhou, M. Yu, H.P. Urbach, Y. Wu // Applied Physics B. – 2017. – Vol. 123. – 236. – DOI: 10.1007/s00340-017-6815-7.
  22. Luk’yanchuk, B. Refractive index less than two: photonic nanojets yesterday, today and tomorrow / B. Luk’yanchuk, R. Paniagua-Domínguez, I. Minin, O. Minin, Z. Wang // Optical Materials Express. – 2017. – Vol. 7, Issue 6. – P. 1820-1847. – DOI: 10.1364/OME.7.001820.
  23. Xing, H. Side-lobes-controlled photonic nanojet with a horizontal graded-index microcylinder / H. Xing, W. Zhou, Y. Wu // Optics Letters. – 2018. – Vol. 43, Issue 17. – P. 4292-4295. – DOI: 10.1364/OL.43.004292.
  24. Abolmaali, F. Photonic jets for highly efficient mid-IR focal plane arrays with large angle of view / F. Abolmaali, A. Brettin, A. Green, N.I. Limberopoulos, A.M. Urbas, V.N. Astratov // Optics Express. – 2017. – Vol. 25, Issue 25. – P. 31174-31185. – DOI: 10.1364/OE.25.031174.
  25. Kotlyar, V.V. Modeling the sharp focus of a radially polarized laser mode using a conical and a binary microaxicon / V.V. Kotlyar, S.S. Stafeev // Journal of the Optical Society of America B. – 2010. – Vol. 27, Issue 10. – P. 1991-1997. – DOI: 10.1364/JOSAB.27.001991.
  26. Geints, Y.E. Microaxicon-generated photonic nanojets / Y.E. Geints, A.A. Zemlyanov, E.K. Panina // Journal of the Optical Society of America B. – 2015. – Vol. 32, Issue 8. – P. 1570-1574.
  27. Khonina, S. Focused, evanescent, hollow, and collimated beams formed by microaxicons with different conical angles / S. Khonina, S. Degtyarev, D. Savelyev, A. Ustinov // Optics Express. – 2017. – Vol. 25, Issue 16. – P. 19052-19064. – DOI: 10.1364/OE.25.019052.
  28. Хонина, С.Н. Расчёт дифракции лазерного излучения на двумерном (цилиндрическом) аксиконе с высокой числовой апертурой в различных моделях / С.Н. Хонина, А.В. Устинов, С.А. Дегтярев // Компьютерная оптика. – 2014. – Т. 38, № 4. – С. 670-680.
  29. 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, Issue 4. – P. 623-630. – DOI: 10.1134/S1063776113120157.
  30. 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, Issue 8. – 085704. – DOI: 10.1088/2040-8978/15/8/085704.
  31. Degtyarev, S.A. Photonic nanohelix generated by a binary spiral axicon / S.A. Degtyarev, A.P. Porfirev, S.N. Khonina // Applied Optics. – 2016. – Vol. 55, Issue 12. – P. B44-B48. – DOI: 10.1364/AO.55.000B44.
  32. Kotlyar, V.V. Photonic nanojets generated using square-profile microsteps / V.V. Kotlyar, S.S. Stafeev, A. Feldman // Applied Optics. – 2014. – Vol. 53, Issue 24. – P. 5322-5329. – DOI: 10.1364/AO.53.005322.
  33. Nayak, C. Effect of the matrix dimension on the performance ofphotonic nanojets produce from an array of cubiod profilemicrosteps / C. Nayak, A. Saha // Optik. – 2016. – Vol. 127. – P. 10766-10771.
  34. Савельев, Д.А. Влияние субволновых деталей микрорельефа на картину дифракции гауссовых пучков / Д.А. Савельев, С.Н. Хонина // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета – 2014. – Т. 43, № 1. – С. 275-286. – DOI: 10.18287/1998-6629-2014-0-1(43)-275-286.
  35. Ang, A.S. ‘Photonic Hook’ based optomechanical nanoparticle manipulator / A.S. Ang, A. Karabchevsky, I.V. Minin, O.V. Minin, S.V. Sukhov, A.S. Shalin // Scientific Reports. – 2018. – Vol. 8. – 2029.
  36. Хонина, С.Н. Острая фокусировка лазерного излучения с помощью двухзонного аксиального микроэлемента / С.Н. Хонина, Д.А. Савельев, А.В. Устинов // Компьютерная оптика. – 2013. – Т. 37, № 2. – С. 160-169.
  37. Minin, I.V. Localized EM and photonic jets from non-spherical and non-symmetrical dielectric mesoscale objects: brief review / I.V. Minin, O.V. Minin, Y.E. Geints // Annalen der Physik. – 2015. – Vol. 527, Issues 7-8. – P. 491-497.
  38. Liu, C.-Y. Engineering photonic nanojet by a graded-index micro-cuboid / C.-Y. Liu, T.-P. Yen, O.V. Minin, I.V. Minin // Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures. – 2018. – Vol. 98. – P. 105-110. – DOI: 10.1016/j.physe.2017.12.020.
  39. Никольский, В.В. Электродинамика и распространение радиоволн : Учеб. пособие для вузов / В.В. Никольский, Т.И. Никольская. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Наука, 1989. – 544 с..
    .

© 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