(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

1 Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН,
634055, Россия, г. Томск, площадь Академика Зуева, д. 1,
2 Сибирский государственный университет геосистем и технологий,
630108, Россия, г. Новосибирск, Плахотного, д. 10,
3 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