(47-4) 06 * << * >> * Русский * English * Содержание * Все выпуски

Влияние шероховатостей поверхности диэлектрических микросфер на параметры формируемых фотонных наноструй
Ю.Э. Гейнц 1, Е.К. Панина 1

1 Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН,
634055, Россия, г. Томск, площадь Академика Зуева, д. 1

 PDF, 1247 kB

DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1280

Страницы: 559-566.

Аннотация:
Все природные и искусственно изготовленные твердые микрочастицы имеют шероховатую поверхность. При рассеянии на таких частицах оптического излучения текстура поверхности, помимо геометрической формы рассеивателя, становится важным морфологическим фактором, определяющим его оптические свойства. Мы представляем результаты численного FDTD-моделирования фокусировки оптической волны диэлектрической микросферой со случайно сгенерированными шероховатостями поверхности. Рассмотрены варианты азимутально симметричных и несимметричных искажений поверхности частицы. Показано, что ключевые параметры ближнепольной фокальной области (интенсивность, продольный и поперечные размеры, фокусное расстояние) для так называемой фотонной наноструи оказываются чувствительными к изменению текстуры поверхности сферы. При этом наибольшим изменениям подвержены два параметра – пиковая интенсивность фотонной наноструи и ее протяженность. Исследовано влияние оптического контраста (относительного показателя преломления) рассеивающей излучение микросферы на характеристики фотонной наноструи, а также показана возможность снижения влияния шероховатостей поверхности на качество фокусировки ближнего оптического поля при обводнении микросфер.

Ключевые слова:
диэлектрическая микросфера, фотонная наноструя, шероховатость поверхности, ближнепольная фокусировка.

Благодарности
Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования в рамках выполнения работ по Государственному заданию ИОА СО РАН.

Цитирование:
Гейнц, Ю.Э. Влияние шероховатостей поверхности диэлектрических микросфер на параметры формируемых фотонных наноструй / Ю.Э. Гейнц, Е.К. Панина // Компьютерная оптика. – 2023. – Т. 47, № 4. – С. 559-566. – DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1280.

Citation:
Geints YE, Panina EK. Surface roughness influence on photonic nanojet parameters of dielectric microspheres. Computer Optics 2023; 47(4): 559-566. DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1280.

References:
  1. Wielicki BA, Barkstrom BR, Baum BA, Charlock TP, Green RN, Kratz DP, Lee RB, Minnis P, Smith GL, Wong T, Young DF, Cess RD, Coakley JA, Crommelynck AH, Donner L, Kandel R, King MD, Miller AJ, Ramanathan V, Radall DA, Stowe LL, Welch RM. Clouds and earth’s radiant energy system (CERES): Algorism overview. IEEE Trans Geosci Remote Sensing1998; 36: 1127-1141.
  2. Panchenko MV, Kabanov MV, Pkhalagov YuA, Belan BD, Kozlov VS, Sakerin SM, Kabanov DM, Uzhegov VN, Shchelkanov NN, Polkin VV, Terpugova SA, Tolmachev GN, Yausheva EP, Arshinov MYu, Simonenkov DV, Shmargunov VP, Chernov DG, Turchinovich YuS, Pol’kin VV, Zhuravleva TB, Nasrtdinov IM, Zenkova PN. Integrated studies of tropospheric aerosol at the institute of atmospheric optics (development stages). Atmospheric Ocean Opt 2020; 33(01): 27-41.
  3. Pan YL, Aptowicz KB, Chang RK, Hart M, Eversole JD. Characterizing and monitoring respiratory aerosols by light scattering. Opt Lett 2003; 28(8): 589-591.
  4. Zenkova PN, Chernov DG, Shmargunov VP, Panchenko MV, Belan BD. Submicron aerosol and absorbing substance in the troposphere of the russian sector of the arctic according to measurements onboard the Tu-134 Optik Aircraft Laboratory in 2020. Atmospheric Ocean Opt 2022; 35(01): 43-51.
  5. Chen Z, Taflove A, Backman V. Photonic nanojet enhancement of backscattering of light by nanoparticles: a potential novel visible-light ultramicroscopy technique. Opt Express 2004; 12(7): 1214-1220.
  6. Li X, Chen Z, Taflove A, Backman V. Optical analysis of nanoparticles via enhanced backscattering facilitated by 3-D photonic nanojets. Opt Express 2005; 13(22): 526-533.
  7. Kato S, Chonan S, Aoki T. High-numerical-aperture microlensed tip on an air-clad optical fiber. Opt Lett 2014; 39(4): 773-776.
  8. Liu C, Ye A. Microsphere assisted optical super-resolution imaging with narrowband illumination. Optics Communications 2021; 485: 126658 DOI: 10.1016/j.optcom.2020.126658.
  9. Assafrao AC, Kumar N, Wachters AJH, Pereira SF, Urbach HP, Brun M, Segolene O. Application of micro solid immersion lens as probe for near-field scanning microscopy. Appl Phys Lett 2014; 104: 101101. DOI: 10.1063/1.4867460.
  10. Cui X, Erni D, Hafner C. Optical forces on metallic nanoparticles induced by a photonic nanojet. Opt Express 2008; 16: 13560-13568.
  11. Zaitsev VD, Stafeev SS. Photonic jets arrays produced by triangular dielectric prisms for Mid-IR imaging. Photonics & Electromagnetics Research Symposium – Spring (PIERS–SPRING) 2020: 2610-2614. DOI: 10.1109/PIERS-Spring46901.2019.9017599.
  12. Geints YuE, Zemlyanov AA, Panina EK. Microaxicon-generated photonic nanojets. J Opt Soc Am B 2015; 32(8): 1570-1574. DOI: 10.1364/JOSAB.27.001991.
  13. Geints YuE, Zemlyanov AA, Minin OV, Minin IV. Systematic study and comparison of photonic nanojets produced by dielectric microparticles in 2D- and 3D-spatial configurations. J Opt 2018; 20(6): 065606. DOI: 10.1088/2040-8986/aac1d9.
  14. Chen Z, Taflove A, Backman V. Photonic nanojet enhancement of backscattering of light by nanoparticles: a potential novel visible-light ultramicroscopy technique. Opt Express 2004; 12(7): 1214-1220.
  15. Geints YuE, Panina EK, Zemlyanov AA. Control over parameters of photon nanojets of dielectric microspheres. Opt Commun 2010; 283(23): 4775-4781. DOI: 10.1016/j.optcom.2010.07.007.
  16. Geints YuE, Minin IV, Panina EK, Zemlyanov АА, Minin ОV. Comparison of photonic nanojets key parameters produced by nonspherical microparticles. Opt Quantum Electron 2017; 49(3): 118. DOI: 10.1007/s11082-017-0958-y.
  17. Mandal A, Tiwari P, Upputuri PK, Dantham VR. Characteristic parameters of photonic nanojets of single dielectric microspheres illuminated by focused broadband radiation. Sci Rep 2022; 12: 173. DOI: 10.1038/s41598-021-03610-3.
  18. Geints YuE, Zemlyanov AA, Panina EK. Photonic jets from resonantly-excited transparent dielectric microspheres. J Opt Soc Am B 2012; 29(4): 758-762.
  19. Devilez A, Bonod N, Stout B, Gerard D, Wenger J, Rigneault H, Popov E. Three-dimensional subwavelength confinement of light with dielectric microspheres. Opt Express 2009; 17(4): 2089-2094.
  20. Lecler S, Takakura Y, Meyrueis P. Properties of a three-dimensional photonic jet. Opt Lett 2005; 30(19): 2641-2643.
  21. Itagi AV, Challener WA. Optics of photonic nanojets. J Opt Soc Am A 2005; 22(12): 2847-2858.
  22. Abdurrochman A, Lecler S, Mermet F, Tumbelaka BY, Serio B, Fontaine J. Photonic jet breakthrough for direct laser microetching using nanosecond near-infrared laser. Appl Opt 2014; 53: 7202-7207.
  23. Astratov VN, Darafsheh A, Kerr MD, Allen KW, Fried NM, Antoszyk AN, Ying HS. Photonic nanojets for laser surgery. SPIE Newsroom 2010. Source: <https://spie.org/news/2578-photonic-nanojets-for-laser-surgery?SSO=1>. DOI: 10.1117/2.1201002.002578.
  24. Terakawa M, Tanaka Y. Dielectric microsphere mediated transfection using a femtosecond laser. Opt Lett 2011; 36: 2877-2879.
  25. Garces-Chavez V, McGloin D, Melville H, Sibbett W, Dholakia K. Simultaneous micromanipulation in multiple planes using a self-reconstructing light beam. Nature 2002; 419(6903): 145-147. DOI: 10.1038/nature01007.
  26. Zhou Zz, Ali H, Hou Zs, Hue W, Cao Y. Enhanced photonic nanojets for submicron patterning. J Cent South Univ 2022; 29: 3323-3334. DOI: 10.1007/s11771-022-5116-4.
  27. Lia C, Kattawara GW, Yangb P. Effects of surface roughness on light scattering by small particles, J Quant Spectrosc Radiat Transf 2004; 89: 123-131.
  28. Sun W, Nousiainen T, Muinonen K, Fu Q, Loeb NG, Videen G. Light scattering by Gaussian particles: a solution with finite-difference time domain technique. J Quant Spectrosc Radiat Transf 2003; 79-80: 1083-1090. DOI: 10.1016/S0022-4073(02)00341-2.
  29. Li C, Kattawara GW, Yang P. Effects of surface roughness on light scattering by small particles. J Quant Spectrosc Radiat Transf 2004; 89: 123-131.
  30. Mahariq I, Astratov VN, Kurt H. Persistence of photonic nanojet formation under the deformation of circular boundary. J Opt Soc Am B 2016; 33: 535-542. DOI: 10.1364/JOSAB.33.000535.
  31. Mahariq I, Abdeljawad T, Karar AS, Alboon SA, Kurt H, Maslov AV. Photonic nanojets and whispering gallery modes in smooth and corrugated micro-cylinders under point-source illumination. Photonics 2020; 7(3): 50. DOI: 10.3390/photonics7030050.
  32. Luk’yanchuk BS, Paniagua-Domínguez R, Minin IV, Minin OV, Wang Z. Refractive index less than two: photonic nanojets yesterday, today and tomorrow [Invited]. Opt Mater Express 2017; 7(6): 1820-1847.
  33. Geints YuE, Zemlyanov AA, Pal'chikov AV. Influence of droplet surface deformations on stimulated Raman scattering of light. Atmospheric Ocean Opt 1997; 10(12): 974-978.

© 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