• елементи
  • абстрактно
  • Въведение
  • резултатът
  • Теоретично изразяване на плазмонно поле
  • Числено моделиране по метода на триизмерни (3D) крайни елементи
  • Ефект на дробните параметри
  • Фокусиране на линейно поляризиран вихров лъч
  • дискусия
  • методи
  • Метод на симулация
  • Теоретично извеждане на експресия на плазмонно поле
  • Повече информация
  • Коментари

елементи

  • Нанофотоника и плазмоника
  • Наномащабни устройства

абстрактно

Оптичните сложни полета привличат нарастващ интерес поради нови ефекти и явления, произтичащи от пространствено неоднородното състояние на поляризация и оптичните особености на светлинния лъч. В тази работа ние предлагаме спирално острие от плазмонарна вихрова леща (SBPVL), което предлага уникални възможности за манипулиране на тези нови полета. Силното взаимодействие между SBPVL и оптичните сложни полета позволява синтеза на силно регулируем плазмонен вихър. Чрез теоретични производни и числени симулации показахме, че характеристиките на плазмонния вихър се определят от ъгловия момент (AM) на светлината и геометричния топологичен заряд SBPVL, който се контролира от нелинейна суперпозиция на височината и броя на острието. По-нататък е показано, че чрез регулиране на геометричните параметри SBPVL може да се използва за фокусиране и манипулиране на оптичното сложно поле с дробно AM. Това миниатюрно плазмено устройство може да намери потенциални приложения в оптичното улавяне, оптичното съхранение на данни и много други свързани области.

поле

В тази работа ние проектирахме плазмонална вихрова леща със спирално острие (SBPVL), която е подходяща за адаптиране на полето на оптичния комплекс към плазмонен вихър. Изследван е и цялостният ефект на структурите на оптичното поле и SBPVL върху свойствата на синтезирания SPP вихър. Резултатите както от теоретичното изчисление, така и от числената симулация показват, че OAM на фотон на вихъра SPP наследява AM светлинния лъч и усукания интерфейс метал/диелектрик, позволявайки метод за генериране на плазмонов вихър с почти всеки топологичен заряд на цялото тяло (TC). Освен това беше установено, че геометричната TC SBPVL представлява нелинейна суперпозиция на височината и броя на елементите на острието. Освен това законът за запазване на оптичната АМ по време на процеса на генериране на вихровия SPP се потвърждава като доказателство за спин-орбиталното взаимодействие в тази плазмонна система.

резултатът

Теоретично изразяване на плазмонно поле

Предложената конструкция на SBPVL и изчислителните координати са показани на фигура 1. SBPVL се състои от няколко извити процепа, гравирани в тънък слой злато. В своите локални цилиндрични координати SBPVL може да бъде описан като:

където m означава броя на остриетата, r 0 е константа, обозначаваща разстоянието от геометричния център до най-вътрешния ръб на SBPVL, mod (mϕ, 2π) представлява напомняне за разделянето m division 2 π и Δ ϕ = 2 n/м. Разстоянието SBPVL (Λ) се дефинира като Λ = nλ spp, където n е цяло число, а λ spp е дължината на вълната на SPP, разпространяваща се на интерфейса злато/въздух. Вземайки предвид нормално възникващото оптично комплексно поле с OAM 1 и SAM σ, разпространяващи се в посока z, то може да бъде изразено в цилиндрични координати като:

SBPVL се състои от m-извит процеп с наклон n в единици λ spp. ( а ) (m, n) = (2, 2). ( б ) (m, n) = (3, 3).

Изображение в пълен размер

а - i ) разпределение на интензитета и j - r ). Горните, средните и долните редове съответстват на поляризациите на LHC (σ = -1), радиалните (σ = 0) и RHC (σ = 1). TC осветлението варира от -3 до 3 със стъпки от 3 от лявата до дясната колона на всеки панел.

Изображение в пълен размер

където j означава TC на плазмонното поле. Например, когато AM светлината може да бъде компенсирана от SBPVL (σ + 1 = - m × n), фазовото разпределение на плазмонното поле в близост до геометричния център на SBPVL е равномерно, по-специално TC е 0, което води до концентриран фиксиран местоположение. В други случаи се получава конусовидно поле с тъмен център, което показва ненулева OAM стойност, предавана от SPP. Моля, имайте предвид, че TC на плазменото поле може да се визуализира чрез проверка на фазата по затворените контури в основните лобове.

От уравнение (4) става ясно, че разпределението на полето се описва от функцията на Бесел от първия вид. По този начин този прост аналитичен израз ни позволява да изследваме размерите на първичния кръг и тъмния център на радиация в близко поле. Ако основният лоб е функция J0-Bessel, размерът на тъмния център е 0 и половината от максималната ширина на ширината (FWHM) на средния пик се оценява като размера на първичния пръстен. В други случаи, когато на главния лоб е дадена функция от порядъка на Бесел от по-висок ред, размерът на първичния кръг и средното тъмно петно ​​се оценяват чрез разделяне на интензивността на FWHM през първичния кръг и тъмния център. Фигура 3 (а) показва връзката между FWHM лъчение в близост до полето и TC плазмонно поле, изчислено чрез теоретичен израз. Ясно е, че средното тъмно петно ​​увеличава размера си линейно с увеличаване на j |, докато размерът на първичния пръстен се увеличава със същата тенденция, макар и много по-бавно.

а ) Теоретични прогнози от решението на функциите на Бесел. б ) Симулационни резултати от 3D моделиране на крайни елементи.

Изображение в пълен размер

Числено моделиране по метода на триизмерни (3D) крайни елементи

а - i ) разпределение на интензитета и j - r ). Горните, средните и долните редове съответстват на поляризациите на LHC (σ = -1), радиалните (σ = 0) и RHC (σ = 1). TC осветлението варира от -3 до 3 със стъпки от 3 от лявата до дясната колона на всеки панел.

Изображение в пълен размер

Плътност и разпределение на фазите за конфигурации с ( 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).

Изображение в пълен размер

Ефект на дробни параметри

Горен ред: Модел на интензивност. Долен ред: Разпределение на фазите по окръжността, показана в графиката на интензитета. Конфигурации с ( а ) (m, n, σ, l) = (2, 1, 8, 1, −3), ( б ) (m, n, σ, l) = (2, 2, 1, −2, 6) и ( ° С ) (m, n, σ, l) = (2, 1, 8, 1, -2, 6).

Изображение в пълен размер

Фокусиране на линейно поляризиран вихров лъч

От горните дискусии става ясно, че ключът към фокусирането на полето на оптичния комплекс върху силно ограничено твърдо място е плазмонична структура, която получава точно отрицателна стойност на осветеност на TC. Това изискване обаче е правилно само за целочислената светлина σ, но не се отнася за линейна поляризация. По принцип плазмонната леща с аксиална симетрия не може да фокусира линейно поляризирана светлина. Ако вземем примера на плазмонова леща от Bull, като пример, SPP вълните, разположени във всяка от двете противоположни точки, възбудени от линейна поляризация, имат своите E z, насочени в противоположни посоки z, което води до нехомогенно разпределение на интензитета в центъра 27. Асиметричният SBPVL предоставя възможност за постигане на хомогенна фокусна точка за линейна поляризация. Ако несъответствието на радиусите е 0,5 x λ spp за всеки две противоположни точки, SPP вълните, пропуснати от тези две точки, възбудени от линейната поляризация, имат относително фазово отместване π, което води до конструктивна интерференция в центъра. Имайки предвид линейно поляризирания вихров лъч, който обикновено осветява SBPVL, плазмоничното поле близо до началото може да бъде изразено като:

където 0 означава ъгъла на поляризация по отношение на оста x, а терминът cos ϕ се дължи на факта, че само електрическо поле, което е локално поляризирано TM по отношение на процепа, може да бъде свързано към електрическата верига SPP. Общото изискване за фокусиране в линейно поляризирана завихряща се светлина може да бъде изразено като m × n - l | = 1. Фигура 7 показва разпределението на интензитета на SPP s (m, n, l) = (2, 2, -3), възбудено от линейна поляризация от теоретични прогнози, както и от числени симулации. Бялата стрелка показва посоката на поляризация. В центъра беше възможно да се наблюдава фиксирана точка на фокусиране, както се очакваше. В допълнение, интензивният модел се върти в посока на линейната поляризация, тъй като SPPs могат да се възбуждат само в посока, успоредна на падащата поляризация.

( а - в ) Теоретично изчисление и ( г - е ) резултати от числена симулация на разпределение на плазмонно поле с (m, n, l) = (2, 2, −3), възбудени от линейно поляризиран вихров лъч. Белите стрелки показват падащото осветление под различни ъгли на компонентите на електрическото поле.

Изображение в пълен размер

дискусия

И накрая, предложихме предложение за SBPVL, което е подходящо за преобразуване на оптично сложно поле в адаптиращ се плазмонен вихър. Приети са теоретични и числени методи за изследване на цялостния ефект върху характеристиките на синтезираното плазмонно вихрово поле, които възникват не само от AM светлина, но и от геометричната TC структура на SBPVL. В допълнение е показано, че геометричната TC, произтичаща от SBPVL с нехомогенни граници, се определя от нелинейната суперпозиция на стъпката и броя на лопатките. TC на плазмонен вихър може да бъде намерен съгласно закона за запазване на AM (j = σ + l + m × n), който се прилага както за дробни, така и за целочислени параметри. Освен това размерът на тъмния център и първичния пръстен зависи от разтвора j | - подреждане на функцията на Bessel от първи вид, позволяваща бърза оценка на FWHM на радиационната схема на близкото поле. Освен това се демонстрира, че чрез специфично регулиране на структурните параметри SBPVL може също да фокусира линейно поляризирана завихряща се светлина, независимо от посоките на поляризация. Тази работа отваря нов начин за манипулиране на плазмоничен вихър в режим на дължина на вълната и може да намери много важни приложения в оптичното улавяне, оптичното съхранение на данни и други свързани полета.

методи

Метод на симулация

Изцяло метални симулации на SBPVL характеристики се извършват с помощта на високочестотния модул на търговския софтуер COMSOL. Устройството е заобиколено от перфектно съчетани слоеве, които се използват за поглъщане на разпръснати оптични полета. Интензитетът на близкото поле и фазовото разделяне се изчисляват, като се използва последваща обработка, налична в COMSOL.

Теоретично извеждане на експресия на плазмонно поле

Електрическото поле в точката на наблюдение може да бъде изразено като:

където е използвано уравнението SBPVL, дадено в уравнение (1). Пренебрегване на загубата на разпространение на SPP, т.е. Im (k r) ≈ 0 и използване с използване = nλ spp, ϕ = 2 π/m,

Ако приемем, че структурата е достатъчно голяма по отношение на λ spp, нейният размер може да бъде апроксимиран с r 0, така че уравнението (8) може да бъде пренаписано като: ако е използвана интегралната идентификация на функцията на Бесел.

Повече информация

Как да цитирам тази статия: Rui, G. et al. Адаптиране на оптичното комплексно поле с леща плазмонална вихрова леща. Sci. Представител. 5, 13732; doi: 10, 1038/srep13732 (2015).

Коментари

Изпращайки коментар, вие се съгласявате да спазвате нашите Общи условия и насоки на общността. Ако откриете нещо обидно или несъвместимо с нашите условия или насоки, означете го като неподходящо.