CC BY
51
Оптика, оптико-электронные приборы и комплексы
УДК 535.421
ФОРМИРОВАНИЕ ЗЕРКАЛЬНЫХ ФОТОННЫХ ТЕРАСТРУЙ
Игорь Владиленович Минин
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск,
ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, профессор кафедры метрологии и технологии
оптического производства, тел. (383)361-07-45, e-mail: [email protected]
Олег Владиленович Минин
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск,
ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, заведующий кафедрой метрологии и технологии оптического производства, тел. (383)361-07-45, e-mail: [email protected]
Никита Анатольевич Харитошин
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск,
ул. Плахотного, 10, аспирант кафедры метрологии и технологии оптического производства, тел. (952)940-84-49, e-mail: [email protected]
Впервые показано, что фотонные струи могут быть сформированы диэлектрическими частицами в режиме «на отражение». До сих пор в литературе формирование фотонных струй диэлектрическими частицами рассматривалось в режиме «на пропускание». Приведены примеры численного моделирования формирования фотонных тераструй от частиц, расположенных на отражающей подложке, как при падении излучения по нормали к ее поверхности, так и под углом. Показано, что выбором геометрии частицы можно регулировать параметры, форму и положение в пространстве фотонной струи.
Ключевые слова: фотонная наноструя, зеркальное отражение, тераструя, численное моделирование, волновой фронт, диэлектрическая структура.
PHOTON MIRROR TERAJET FORMATION
Igor V. Minin
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., doctor of technical sciences, professor of the department of metrology and optical technology, tel. (383)361-07-45, e-mail: [email protected]
Oleg V. Minin
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., doctor of technical sciences, head of a department of metrology and optical technology, tel. (383)361-07-45, e-mail: [email protected]
Nikita A. Kharitoshin
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St, a postgraduate student, tel. (952)940-84-49, e-mail: [email protected]
It was been shown that the photonic jet can be formed by dielectric particles in the "reflection" mode. So far, in the literature the formation of photonic jets by dielectric particles were investigated in the "transmissive" mode. Examples of numerical simulation of the formation of the photonic terajets by particles located on a reflecting substrate, as in the radiation incident normal to the surface, and an angle are discussed. It has been shown that by choosing the geometry of the particles can be adjusted parameters, the shape and position of the photonic jet in the space.
87
Вестник СГГА, вып. 4 (28), 2014
Key words: photonic nanojet, terajet, numerical simulation, mirror, the wave front, the dielectric structure.
Вопросам исследования оптических систем посвящено значительное количество работ [1-7], однако формирование фотонных струй в них не рассматривается.
Относительно недавно в работе [8] впервые было обращено внимание на наличие эффекта «фотонной наноструи» (ФНС) при исследовании рассеяния лазерного излучения на прозрачных кварцевых микроцилиндрах [9] и позднее -на сферических частицах. Фотонная струя возникает в области теневой поверхности диэлектрических микросферических частиц - в так называемой ближней зоне дифракции - и характеризуется сильной пространственной локализацией и высокой интенсивностью оптического поля в области фокусировки. Физическая природа возникновения таких ФНС связана с аберрационной (рефракционной) фокусировкой излучения сферической поверхностью, что при определенных условиях приводит к конструктивной интерференции электромагнитных полей рассеянного и прошедшего через частицу излучения. Определенным подбором оптических свойств материала частицы и ее размера удается добиться оптимального соотношения между длиной и шириной перетяжки ФНС (внешнего фокуса излучения). Зона фокусировки при этом вытягивается вдоль направления падения излучения, приобретая форму световой «струи» (отсюда собственно и название - фотонная струя), сохраняя субволновой размер в поперечном направлении.
Позднее возможность получения фотонных наноструй была изучена для диэлектрических эллиптических наночастиц [10, 11], многослойных слоистонеоднородных микросферических частиц с радиальным градиентом коэффициента преломления [12-14], а также «обрезанных» полусфер [15, 16]. Первые эксперименты по прямому наблюдению фотонных струй были проведены в СВЧ-диапазоне [17, 18]. Кроме того, экспериментально было продемонстрировано усиление эффекта обратного рассеяния в диапазоне сверхвысоких частот [19].
Основными параметрами, позволяющими оптимизировать характеристики ФНС сфероидальных частиц, являются: форма падающего волнового фронта, параметр Ми частицы [20] и относительный показатель преломления материала частицы и среды [21-23].
До сих пор считалось, что такие микрочастицы должны обладать высокой степенью пространственной осевой симметрии формы - сферы, сфероиды, цилиндры, диски. Впервые в работе [24] было показано, что формирование фотонных тераструй (аналог оптических ФНС) возможно и при взаимодействии плоского волнового фронта с кубической диэлектрической структурой. Кроме того, было продемонстрировано, что формирование тераструй на основе диэлектрических кубоидов возможно не только на основной, но и других четных частотных гармониках, а также при наклонном падении плоского волнового фронта [25]. То есть в этом случае диэлектрический кубоид выполняет функции линзы с фокусом в виде ФНС.
88
Оптика, оптико-электронные приборы и комплексы
Формирование ФНС возможно и для диэлектрических частиц произвольной трехмерной формы, не обладающих осевой симметрией.
Однако следует отметить, что различные практические задачи требуют создания различных типов фотонных струй (фотонных потоков) со своими специфическими характеристиками и свойствами. На сегодня все известные работы по формированию ФНС и их применению основаны на использовании слабопоглощающих диэлектрических частиц в режиме «на прохождение», когда фотонный поток локализуется после прохождения падающего излучения через частицу вдоль направления распространения этого падающего излучения.
В настоящей работе впервые показано, что формирование ФНС возможно в режиме «на отражение», когда фотонный поток локализуется на встречу падающего на частицу излучения. Более того, показано, что выбором геометрии частицы возможно корректировать форму фотонной струи и ее положение в пространстве вплоть до расположения ФНС перпендикулярно направлению падения излучения.
Для изучения механизма и возможности формирования терагерцовых ФНС использован метод численного моделирования пространственно-временного распределения электромагнитного поля в ближней зоне дифракции волны на выбранном дифракционном элементе. Моделирование проводилось на коммерческом программном продукте CST Microwave Studio™
При моделировании 3D диэлектрическая частица в виде кубоида размерами Х0 х Х0 х 0,33Х0 мм освещалась вертикально (Ey) плоско поляризованной волной на частоте 0,1 THz (Х0 = 3 мм). Частица была расположена в вакууме (n0 = 1) на металлической подложке (алюминий) размерами 2Х0 х 2Х0 х 0,33Х0, использовались открытые граничные условия. Показатель преломления материала диэлектрика 1,46. Направление падения излучения - слева направо. Результаты моделирования показаны на рис. 1.
а)
б)
Рис. 1. Распределения интенсивности поля вдоль: а) вдоль ФНС (плоскость XZ); б) поперек ФНС (плоскость YX)
89
Вестник СГГА, вып. 4 (28), 2014
Предварительная оптимизация параметров ФНС при нормальном падении излучения на частицу (по критерию наилучшего пространственного разрешения) проводилась выбором толщины диэлектрика при остальных фиксированных параметрах. Результаты приведены в таблице, где АХ, AY, AZ - полуширина распределения интенсивности поля в области максимальной концентрации (FWHM) в единицах падающей длины волны X0.
Таблица
Параметры формируемой зеркальной ФНС при падении излучения по нормали к диэлектрической частице
Толщина, X АХ, X AY, X AZ, X I
0,4 0,53 0,4 1,08 9
0,33 0,44 0,41 1,1 9
0,27 0,49 0,45 0,99 9,5
Из таблицы видно, что полуширина распределения интенсивности поля в области максимальной концентрации для толщин диэлектрика (менее 0,4Xo) меньше классического дифракционного предела, т. е. возможно преодолеть фундаментальный для классической линейной оптики дифракционный предел поперечного разрешения в режиме «на отражение» (заметим, что целью настоящей работы не было получение предельно достижимых характеристик те-рагерцовых ФНС). Отношение интенсивностей I падающего и сфокусированного излучения (в максимуме) составило примерно 9 раз. Длина тераструи составляет порядка длины волны. При этом существует оптимальное значение относительной толщины диэлектрической частицы с точки зрения минимизации эллиптичности формируемой ФНС (см. таблицу, рис. 2).
Рис. 2. Эллиптичность ФНС: по оси абсцисс - относительная толщина диэлектрика; по оси ординат - отношение АХ/AY
90
Оптика, оптико-электронные приборы и комплексы
Рассматриваемая конфигурация диэлектрической частицы на отражающей подложке сохраняет свойства фокусировки ФНС и при повороте относительно направления падения излучения. Так, на рис. 3 приведены результаты предварительных вычислительных экспериментов по формированию ФНС при наклоне частицы относительно нормали к ее поверхности соответственно на 5 и 10°.
УА/тЛ2
0.0186
0.0169
0.0152
0.0135
0.0118
0.0101
0.00845
0.00676
0.00507
0.00338
0.00169
0
Рис. 3. Формирование зеркальной ФНС при угле наклона в 5 и 10° соответственно
Отчетливо видно увеличение «перетекания» энергии через края частицы в сторону ее наклона. В результате деструктивной интерференции это приводит к искажению формы струи. Тем не менее, из результатов, представленных на рис. 3, видно, что поворотом частицы относительно направления падения излучения возможно поворачивать в пространстве формируемую в режиме «на отражение» ФНС и обеспечивать сканирование по углу.
Соответственно, можно предложить способ корректировки формы и положения в пространстве ФНС за счет управления конструктивной интерференцией отраженного поля. В качестве примера на рис. 4 показано распределение интенсивности поля, формируемого диэлектрической частицей при ее наклоне в 10° относительно направления падения излучения. Отличие от соответствующей конфигурации, показанной на рис. 3, состоит в том, что ширина диэлектрической частицы была увеличена до края отражающей подложки в направлении поворота частицы.
Как видно из приведенных результатов, область повышенной концентрации фотонных потоков (тераструи) располагается не перпендикулярно, а практически параллельно плоской поверхности частицы, повернутой относительно
91
Вестник СГГА, вып. 4 (28), 2014
направления падения излучения. Так, длина струи (оценка сверху) в данном случае составляет (вдоль оси Х) 1,5Х0.
Рис. 4. Формирование тераструи в зеркальном режиме при повороте на 10° относительно направления падения излучения
Таким образом, в настоящей работе впервые показана возможность формирования тераструй при взаимодействии плоского волнового фронта с частицей, расположенной на отражающей подложке в режиме «на отражение». Показана принципиальная возможность генерации и управления параметрами (включая трехмерную форму и положение в пространстве) фотонных тераструй (а с учетом масштабного эффекта - и фотонных наноструй) путем выбора соотношения геометрических размеров и угла ее поворота относительно направления падения излучения. Полученные результаты могут быть использованы в элементах нанофотоники изолированных частиц произвольной формы, оптического захвата наночастиц и т. п.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Хацевич Т. Н., Олейник С. В. Линзовые объективы высокого разрешения для приборов ночного видения // Вестник СГГА. - 2003. - Вып. 8. - С. 200-203.
2. Рахимов Б. Н., Ушаков О. К., Раскулов А. М. Расчет и разработка семиканальной волоконно-оптической системы для обнаружения, регистрации зарождения и распространения усталостных трещин элементов механических конструкций // ГЕО-Сибирь-2010. VI Между -нар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2010 г.). - Новосибирск: СГГА, 2010. Т. 5, ч. 1. - С. 57-62.
92
Оптика, оптико-электронные приборы и комплексы
3. Парко В. Л., Хацевич Т. Н. Апохроматический объектив без использования особых стекол // ГЕО-Сибирь-2010. VI Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2010 г.). - Новосибирск: СГГА, 2010. Т. 5, ч. 1. - С. 116-120.
4. Олейник С. В., Хацевич Т. Н. Оптические системы с дискретной сменой поля зрения для работы с матричными фотоприемниками в диапазоне 8-12 мкм // Вестник СГГА. -2005. - Вып. 11. - С. 223-228.
5. Критинина С. В. Развитие способов обработки линз // ГЕО-Сибирь-2010. VI Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2010 г.). - Новосибирск: СГГА, 2010. Т. 5, ч. 1. - С. 160-165.
6. Полещук А. Г. Формирование асферических волновых фронтов с помощью синтезированных голограмм // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2013. 1Х Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «СибОптика-2013» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 15-26 апреля 2013 г.). - Новосибирск: СГГА, 2013. Т. 5. - С. 11-14.
7. Батомункуев Ю. Ц., Мещеряков Н. А. Датчики перемещений с двумерной дифракционной решеткой // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2013. К Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «СибОптика-2013» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 15-26 апреля 2013 г.). -Новосибирск: СГГА, 2013. Т. 5. - С. 32-37.
8. Chen Z., Taflove A., Backman V. Photonic nanojet enhancement of backscattering of light by nanoparticles: a potential novel visible-light ultramicroscopy technique // Optics Express. 2004. No. 12(7), Pp. 1214-1220.
9. Optical analysis of nanoparticles via enhanced backscattering facilitated by 3-D photonic nanojets / X. Li, Z. chen, A. Taflove, V. Backman // Opt. Express. 2005. No. 13(2), Pp. 526-533.
10. Liu C., Chang L., Yang L. In Proceeding of the 9th IEEE International Conference Nano/Micro Engineered and Molecular Systems. 2014. Pp. 536.
11. Jalalia T., Erni D. Highly confined photonic nanojet from elliptical particles // Journal of Modern Optics. 2014. No. 61(13). Pp.1069-1076.
12. Mendez-Ruiz C., Simpson J. J. Detection of embedded ultrasubwavelength-thin dielectric features using elongated photonic nanojets // Opt. Express. 2010. No. 18(16). Pp. 16805-16812.
13. Liu C. Prog. Ultra-elongated photonic nanojets generated by a graded-index microellipsoid // Electromagnet. Res. Lett. 2013. Vol. 37. Pp. 153-165.
14. Geints Y. E., Zemlyanov A. A., Panina E. K. Photonic nanojet calculations in layered radially inhomogeneous micrometer-sized spherical particles // J. Opt. Soc. Am. 2011. No. 28(8). Pp. 1825-1830.
15. Liu C.-Y., Chang Li-Jen and Yang Lung-Jieh. Photonic Nanojet in Non-spherical Microparticles // Proc. of the 9th IEEE Int. conf. On Nano/Micro Eng. And Molecular Systems, April 13-16, 2014, Hawaii, USA, Pp. 536-538.
16. Liu Cheng-Yang. Photonic nanojet shaping of dielectric non-spherical microparticles // Physica E 64. 2014. Pp. 23-28.
17. Robust detection of deeply subwavelength pits in simulated optical data-storage disks using photonic jets / S.-C. Kong, A. Sahakian, A. Heifetz, A. Taflove, and V. Backman // Appl. Phys. Lett. 2008. No. 92, Pp. 211102.
18. Zhao L. and Ong C. K. Direct observation of photonic jets and corresponding backscattering enhancement at microwave frequencies // J. Appl. Phys. 2009. No. 105, Pp. 123512.
19. A. Heifetz, K. Huang, A. V. Sahakian, X. Li, A. Taflove, and V. Backman, Appl. Phys. Lett. 2006. No. 89, Pp. 221118.
20. Chen Z., Taflove A., Backman V. Photonic nanojet enhancement of backscattering of light by nanoparticles: a potential novel visible-light ultramicroscopy technique // Optics Express. 2004. No. 12(7). Pp. 1214-1220.
21. Engineering photonic nanojets / Myun-Sik Kim, Toralf Scharf, Stefan Muhlig, Carsten Rockstuhl, and Hans Peter Herzig // Opt. Express. 2011. Vol. 19, No. 11. 10206 p.
93
Вестник СГГА, вып. 4 (28), 2014
22. Hongxing Ding, Lili Dai, and Changchun Yan. Properties of the 3D photonic nanojet based on the refractive index of surroundings // Chinese Optics Letters. 2010. Vol. 8, No. 7. July 10.
23. Spectral analysis of three-dimensional photonic jets / Alexis Devilez, Brian Stout, Nicolas Bonod, Evgeny Popov // Optics express. 2008. No. 16(18). 14200-14212.
24. Terajets produced by 3D dielectric cuboids / V. Pacheco-Pena, M. Beruete, I. V. Minin, O. V. Minin // Appl. Phys. Lett. 2014. V.105, Pp. 084102.
25. Multifrequency focusing and wide angular scanning of Terajets / V. Pacheco-Pena, M. Beruete, I. V. Minin, O. V. Minin // Optic Letters, in press.
Получено 18.11.2014
© И. В. Минин, О. В. Минин, Н. А. Харитошин, 2014
94
