• предметів
  • реферат
  • вступ
  • результат
  • Теоретичне вираження плазмонічного поля
  • Чисельне моделювання методом тривимірних (3D) скінченних елементів
  • Вплив дробових параметрів
  • Фокусування лінійно поляризованого вихрового пучка
  • обговорення
  • методи
  • Метод моделювання
  • Теоретичне виведення експресії плазмонічного поля
  • Детальніше
  • Коментарі

предметів

  • Нанофотоніка та плазмоніка
  • Наномасштабні пристрої

реферат

Оптичні комплексні поля викликають все більший інтерес завдяки новим ефектам і явищам, що виникають внаслідок просторово неоднорідного стану поляризації та оптичних особливостей світлового променя. У цій роботі ми пропонуємо спіральну лопатку плазмонарних вихрових кришталиків (SBPVL), яка пропонує унікальні можливості для маніпулювання цими новими полями. Сильна взаємодія між SBPVL та оптичними комплексними полями дозволяє синтезувати високонастроюваний плазмонічний вихор. За допомогою теоретичних похідних та чисельного моделювання ми показали, що характеристики плазмонного вихору визначаються моментом імпульсу світла (AM) світла та геометричним топологічним зарядом SBPVL, який контролюється нелінійною суперпозицією висоти та числа лопатей. Далі показано, що, регулюючи геометричні параметри, SBPVL можна використовувати для фокусування та маніпулювання полем оптичного комплексу з дробовим AM. Цей мініатюрний плазмовий пристрій може знайти потенційні додатки в оптичному захопленні, оптичному зберіганні даних та багатьох інших суміжних областях.

адаптацію

У цій роботі ми розробили плазмональну вихрову лінзу зі спіральною лопаткою (SBPVL), яка підходить для адаптації поля оптичного комплексу до плазмонного вихору. Також вивчається загальний вплив структур оптичного поля та SBPVL на властивості синтезованого вихору SPP. Результати як теоретичного розрахунку, так і чисельного моделювання показують, що OAM на фотон вихру SPP успадковує світловий промінь АМ і скручену поверхню розділу метал/діелектрик, дозволяючи метод генерації плазмонного вихору з майже будь-яким топологічним зарядом всього тіла (ТК). Крім того, було встановлено, що геометричний TC SBPVL є нелінійною суперпозицією висоти та кількості елементів лопаті. Крім того, закон збереження оптичного AM під час процесу генерації вихру SPP підтверджується як доказ спін-орбітальної взаємодії в цій плазмонній системі.

результат

Теоретичне вираження плазмонічного поля

Запропонована конструкція SBPVL та розрахункові координати показані на малюнку 1. SBPVL складається з декількох криволінійних щілин, вигравованих у тонкий шар золота. У своїх локальних циліндричних координатах SBPVL можна описати як:

де m позначає кількість елементів лопаті, r 0 - постійна, що позначає відстань від геометричного центру до самого внутрішнього краю SBPVL, mod (mϕ, 2π) являє собою нагадування про поділ mϕ 2 π і Δ ϕ = 2 n/м. Інтервал SBPVL (Λ) визначається як Λ = nλ spp, де n - ціле число, а λ spp - довжина хвилі SPP, що поширюється на зоні/повітрі. Беручи до уваги нормальне оптичне комплексне поле з OAM 1 і SAM σ, що поширюється в напрямку z, його можна виразити в циліндричних координатах як:

SBPVL складається з m-вигнутої щілини з нахилом n в одиницях λ spp. ( a ) (m, n) = (2, 2). ( b ) (m, n) = (3, 3).

Повнорозмірне зображення

a - i ) розподіл інтенсивності та j - r ). Верхній, середній та нижній ряди відповідають поляризаціям LHC (σ = -1), радіальним (σ = 0) та RHC (σ = 1). Освітлення TC варіюється від -3 до 3 з кроком 3 з лівого до правого стовпця на кожній панелі.

Повнорозмірне зображення

де j позначає TC плазмонного поля. Наприклад, коли світло AM можна компенсувати SBPVL (σ + 1 = - m × n), фазовий розподіл плазмонічного поля поблизу геометричного центру SBPVL є рівномірним, зокрема TC дорівнює 0, що призводить до концентрованого фіксованого Розташування. В інших випадках виходить конусоподібне поле з темним центром, що вказує на ненульове значення OAM, передане SPP. Зверніть увагу, що TC плазмового поля можна візуалізувати, перевіряючи фазу вздовж замкнутих контурів в основних частках.

З рівняння (4) ясно, що розподіл поля описується функцією Бесселя першого роду. Таким чином, цей простий аналітичний вираз дозволяє дослідити розміри первинного кола і темного центру радіації ближнього поля. Якщо основна пелюстка є функцією J0-Бесселя, розмір темного центру дорівнює 0, а половина максимальної ширини ширини (FWHM) середнього піку оцінюється як розмір первинного кільця. В інших випадках, коли великій частці надається функція порядку Бесселя вищого порядку, розмір первинного кола та середня темна пляма оцінюються шляхом розділення інтенсивності ШІМ через первинне коло та темний центр. На рисунку 3 (а) показано взаємозв'язок між ШІМ поблизу польового випромінювання та плазмонним полем ТК, розрахованим за теоретичним виразом. Зрозуміло, що середня темна пляма збільшує свій розмір лінійно зі збільшенням j |, тоді як розмір первинного кільця збільшується із тим самим трендом, хоча і набагато повільніше.

a ) Теоретичні передбачення з розв’язку функцій Бесселя. b ) Результати моделювання в результаті моделювання кінцевих елементів 3D.

Повнорозмірне зображення

Чисельне моделювання методом тривимірних (3D) скінченних елементів

a - i ) розподіл інтенсивності та j - r ). Верхній, середній та нижній ряди відповідають поляризаціям LHC (σ = -1), радіальним (σ = 0) та RHC (σ = 1). Освітлення TC варіюється від -3 до 3 з кроком 3 з лівого до правого стовпця на кожній панелі.

Повнорозмірне зображення

Щільність і розподіл фаз для конфігурацій з ( а, б ) (m, n, σ, l) = (2, 3, 1, 2), ( c, d ) (m, n, σ, l) = (3, 3, 1, 2) a (e, f) (m, n, σ, l) = (3, 3, -1, 1).

Повнорозмірне зображення

Вплив дробових параметрів

Верхній ряд: візерунок інтенсивності. Висновок: розподіл фаз по колу, показаний на графіку інтенсивності. Конфігурації з ( a ) (m, n, σ, l) = (2, 1, 8, 1, −3), ( b ) (m, n, σ, l) = (2, 2, 1, −2, 6) та ( c ) (m, n, σ, l) = (2, 1, 8, 1, -2, 6).

Повнорозмірне зображення

Фокусування лінійно поляризованого вихрового пучка

З наведених вище обговорень стає зрозуміло, що ключем до фокусування поля оптичного комплексу на сильно обмеженому твердому плямі є плазмонічна структура, яка отримує точно негативне значення освітленості TC. Однак ця вимога правильна лише для цілочисельного світла σ, але не стосується лінійної поляризації. Як правило, плазмонна лінза з осьовою симетрією не може фокусувати лінійно поляризоване світло. Якщо взяти приклад плазмонової лінзи від Була, як приклад, хвилі SPP, розташовані в кожній з двох протилежних точок, збуджених лінійною поляризацією, мають свої E z, спрямовані в протилежні напрямки z, що призводить до неоднорідного розподілу інтенсивності в центрі 27. Асиметричний SBPVL надає можливість досягти однорідної точки фокусування для лінійної поляризації. Якщо невідповідність радіусів становить 0,5 x λ spp для кожних двох протилежних точок, хвилі SPP, опущені з цих двох точок, збуджених лінійною поляризацією, мають відносний фазовий зсув π, що призводить до конструктивних перешкод в центрі. Беручи до уваги лінійно поляризований вихровий промінь, який зазвичай освітлює SBPVL, плазмонічне поле поблизу початку може бути виражене як:

де 0 позначає кут поляризації щодо осі х, а термін cos ϕ обумовлений тим, що до електричного кола SPP може бути підключене лише електричне поле, яке локально ТМ поляризовано щодо щілини. Загальна вимога до фокусування в лінійно поляризованому закрученому світлі може бути виражена як m × n - l | = 1. На рисунку 7 показано розподіл інтенсивності SPP s (m, n, l) = (2, 2, -3), збуджених лінійною поляризацією як з теоретичних прогнозів, так і з чисельного моделювання. Біла стрілка вказує напрямок поляризації. У центрі можна було спостерігати фіксовану точку фокусування, як очікувалося. Крім того, картина інтенсивності обертається у напрямку лінійної поляризації, оскільки SPP можуть збуджуватися лише у напрямку, паралельному падаючій поляризації.

( а - в ) Теоретичний розрахунок та ( d - f ) результати чисельного моделювання розподілу плазмонного поля з (m, n, l) = (2, 2, −3), збудженими лінійно поляризованим вихровим пучком. Білі стрілки позначають падаюче освітлення під різними кутами компонентів електричного поля.

Повнорозмірне зображення

обговорення

Нарешті, ми запропонували пропозицію SBPVL, яка підходить для перетворення оптичного комплексного поля в адаптований плазмонічний вихор. Для вивчення загального впливу на характеристики синтезованого плазмонного вихрового поля, що виникають не тільки від світла АМ, але й від геометричної структури СКБПВЛ, були прийняті теоретичні та числові методи. Крім того, було показано, що геометричний TC, що виникає із SBPVL з неоднорідними межами, визначається нелінійною суперпозицією кроку та кількістю лопаток. TC плазмонічного вихору можна знайти згідно із законом збереження AM (j = σ + l + m × n), який застосовується як до дробових, так і до цілочисельних параметрів. Крім того, розмір темного центру і первинного кільця залежить від розчину j | - розташування функції Бесселя першого виду, що дозволяє швидко оцінити структуру ШІМ ближнього поля випромінювання. Далі показано, що, спеціально регулюючи параметри структури, SBPVL може також фокусувати лінійно поляризоване закручене світло незалежно від напрямків його поляризації. Ця робота відкриває новий спосіб маніпулювання плазмонічним вихором у режимі довжини хвилі та може знайти багато важливих застосувань в оптичному захопленні, оптичному зберіганні даних та інших суміжних областях.

методи

Метод моделювання

Суцільнометалеве моделювання характеристик SBPVL виконується за допомогою високочастотного модуля комерційного програмного забезпечення COMSOL. Пристрій оточений ідеально підібраними шарами, які використовуються для поглинання розсіяних оптичних полів. Інтенсивність ближнього поля та поділ фаз обчислюються з використанням постобработки, доступної в COMSOL.

Теоретичне виведення експресії плазмонічного поля

Електричне поле в точці спостереження може бути виражене як:

де застосовували рівняння SBPVL, подане в рівнянні (1). Нехтування втратою розповсюдження SPP, тобто Im (k r) ≈ 0 та використання, використовуючи = nλ spp, ϕ = 2 π/м,

Припускаючи, що структура є достатньо великою щодо λ spp, її розмір можна апроксимувати r 0, так що рівняння (8) можна переписати так: якщо використовувалася інтегральна ідентифікація функції Бесселя.

Детальніше

Як цитувати цю статтю: Rui, G. та ін. Адаптація оптичного комплексного поля з лінзою плазмональної вихрової лінзи. Наук. Респ. 5, 13732; doi: 10, 1038/srep13732 (2015).

Коментарі

Надсилаючи коментар, ви погоджуєтесь дотримуватись наших Умов надання послуг та Правил спільноти. Якщо ви вважаєте щось образливим або не відповідаєте нашим умовам чи інструкціям, позначте це як невідповідне.