• obiecte
  • abstract
  • introducere
  • Rezultatul
  • Expresia teoretică a câmpului plasmonic
  • Modelarea numerică prin metoda elementelor finite tridimensionale (3D)
  • Efectul parametrilor fracționari
  • Focalizarea unui fascicul de vortex polarizat liniar
  • discuţie
  • metode
  • Metoda de simulare
  • Derivarea teoretică a expresiei câmpului plasmonic
  • Mai multe detalii
  • Comentarii

obiecte

  • Nanofotonică și plasmonică
  • Dispozitive la scară nano

abstract

Câmpurile optice complexe atrag un interes din ce în ce mai mare datorită noilor efecte și fenomene rezultate din starea de polarizare neomogenă spațial și de particularitățile optice ale fasciculului de lumină. În această lucrare, propunem o lamă spirală de lentile vortex plasmonare (SBPVL), care oferă oportunități unice pentru manipularea acestor noi câmpuri. Interacțiunea puternică dintre SBPVL și câmpurile complexe optice permite sinteza unui vortex plasmonic foarte reglabil. Prin derivați teoretici și simulări numerice, am arătat că caracteristicile unui vortex plasmonic sunt determinate de impulsul unghiular (AM) al luminii și de sarcina topologică geometrică SBPVL, care este controlată de o suprapunere neliniară a înălțimii și numărului lamei. În continuare se arată că prin ajustarea parametrilor geometrici, SBPVL poate fi utilizat pentru a focaliza și manipula câmpul complex optic cu AM fracționat. Acest dispozitiv miniatural cu plasmă poate găsi aplicații potențiale în captarea optică, stocarea optică a datelor și multe alte domenii conexe.

câmpului

În această lucrare, am proiectat o lentilă vortex plasmonală cu o lamă spirală (SBPVL), care este potrivită pentru adaptarea câmpului complexului optic la un vortex plasmonic. Efectul general al structurilor de câmp optic și SBPVL asupra proprietăților vortexului SPP sintetizat este, de asemenea, studiat. Rezultatele atât ale calculului teoretic, cât și ale simulării numerice arată că OAM per foton al vortexului SPP moștenește fasciculul de lumină AM și interfața răsucită metal/dielectric, permițând o metodă de generare a unui vortex plasmonic cu aproape orice sarcină topologică a întregului corp (TC). Mai mult, s-a constatat că TC SBPVL geometric este o suprapunere neliniară a înălțimii și a numărului de elemente ale lamei. Mai mult, legea conservării AM optice în timpul procesului de generare a vortexului SPP este confirmată ca dovadă a interacțiunii spin-orbită în acest sistem plasmon.

Rezultatul

Expresia teoretică a câmpului plasmonic

Construcția propusă a SBPVL și coordonatele de calcul sunt prezentate în Figura 1. SBPVL constă din mai multe fante curbate gravate într-un strat subțire de aur. În coordonatele sale cilindrice locale, SBPVL poate fi descris ca:

unde m indică numărul de elemente ale lamei, r 0 este o constantă care denotă distanța de la centrul geometric la marginea cea mai interioară a SBPVL, mod (mϕ, 2π) reprezintă un memento al diviziunii mϕ 2 π și Δ ϕ = 2 n/m. Spațierea SBPVL (Λ) este definită ca Λ = nλ spp, unde n este un număr întreg și λ spp este lungimea de undă a SPP care se propagă la interfața aur/aer. Ținând cont de câmpul complex optic care apare în mod normal cu OAM 1 și SAM σ propagându-se în direcția z, acesta poate fi exprimat în coordonate cilindrice ca:

SBPVL constă dintr-o fantă curbată m cu o pantă n în unități de λ spp. ( A ) (m, n) = (2, 2). ( b ) (m, n) = (3, 3).

Imagine la dimensiune completă

a - i ) distribuția intensității și j - r ). Rândurile superioare, medii și inferioare corespund polarizărilor LHC (σ = −1), radial (σ = 0) și RHC (σ = 1). Iluminarea TC variază de la -3 la 3 cu trepte de 3 de la stânga la coloana din dreapta pe fiecare panou.

Imagine la dimensiune completă

unde j denotă TC al câmpului plasmonic. De exemplu, atunci când lumina AM poate fi compensată prin SBPVL (σ + 1 = - m × n), distribuția de fază a câmpului plasmonic lângă centrul geometric al SBPVL este uniformă, în special TC este 0, ducând la un fix concentrat Locație. În alte cazuri, se obține un câmp în formă de con, cu un centru întunecat, care indică o valoare OAM diferită de zero transmisă de SPP. Vă rugăm să rețineți că TC-ul câmpului plasmatic poate fi vizualizat prin verificarea fazei de-a lungul contururilor închise din lobii principali.

Din ecuația (4) reiese clar că distribuția câmpului este descrisă de funcția Bessel de primul fel. Astfel, această expresie analitică simplă ne permite să examinăm dimensiunile cercului primar și centrul întunecat al radiației câmpului apropiat. Dacă lobul principal este o funcție J0-Bessel, dimensiunea centrului întunecat este 0 și jumătate din lățimea maximă a lățimii (FWHM) a vârfului mijlociu este evaluată ca dimensiunea inelului primar. În alte cazuri, în care lobului major i se dă o funcție de ordinul Bessel de ordinul superior, dimensiunea cercului primar și a petei întunecate medii sunt evaluate prin separarea intensității FWHM prin cercul primar și centrul întunecat. Figura 3 (a) prezintă relația dintre radiația câmpului apropiat FWHM și câmpul plasmonic TC calculat prin expresie teoretică. Este clar că pata medie întunecată își mărește dimensiunea liniar cu creșterea j |, în timp ce dimensiunea inelului primar crește cu aceeași tendință, deși mult mai lent.

A ) Predicții teoretice din soluția funcțiilor Bessel. b ) Rezultatele simulării din modelarea 3D a elementelor finite.

Imagine la dimensiune completă

Modelarea numerică prin metoda elementelor finite tridimensionale (3D)

a - i ) distribuția intensității și j - r ). Rândurile superioare, medii și inferioare corespund polarizărilor LHC (σ = −1), radial (σ = 0) și RHC (σ = 1). Iluminarea TC variază de la -3 la 3 cu trepte de 3 de la stânga la coloana din dreapta pe fiecare panou.

Imagine la dimensiune completă

Densitatea și distribuția fazelor pentru configurații cu ( a, b ) (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).

Imagine la dimensiune completă

Efectul parametrilor fracționari

Rândul superior: model de intensitate. Linia de fund: distribuția fazei de-a lungul cercului prezentat în graficul de intensitate. Configurări cu ( A ) (m, n, σ, l) = (2, 1, 8, 1, −3), ( b ) (m, n, σ, l) = (2, 2, 1, −2, 6) și ( c ) (m, n, σ, l) = (2, 1, 8, 1, -2, 6).

Imagine la dimensiune completă

Focalizarea unui fascicul de vortex polarizat liniar

Din discuțiile de mai sus, este clar că cheia focalizării câmpului complexului optic pe un punct solid foarte delimitat este o structură plasmonică care obține o valoare de iluminare TC negativă exact. Cu toate acestea, această cerință este corectă doar pentru lumina întreagă σ, dar nu se aplică polarizării liniare. În general, o lentilă plasmonică cu simetrie axială nu poate focaliza lumina polarizată liniar. Dacă luăm exemplul unei lentile Plasmon de la Bull, ca exemplu, undele SPP situate la fiecare dintre cele două puncte opuse excitate prin polarizare liniară au E z direcționate în direcții opuse z, ducând la o distribuție neomogenă a intensității la centru 27. SBPVL asimetric oferă o oportunitate de a atinge un punct de focalizare omogen pentru polarizarea liniară. Dacă nepotrivirea razelor este de 0,5 x λ spp pentru fiecare două puncte opuse, undele SPP omise din aceste două puncte excitate de polarizarea liniară au o schimbare de fază relativă π, ducând la interferențe constructive în centru. Având în vedere fasciculul vortex polarizat liniar care luminează în mod normal SBPVL, câmpul plasmonic de lângă debut poate fi exprimat ca:

unde 0 denotă unghiul de polarizare față de axa x, iar termenul cos ϕ se datorează faptului că numai un câmp electric polarizat local TM în raport cu fanta poate fi conectat la circuitul electric SPP. Cerința generală de a focaliza în lumină rotitoare polarizată liniar poate fi exprimată ca m × n - l | = 1. Figura 7 prezintă distribuția intensității SPP s (m, n, l) = (2, 2, -3) excitată prin polarizare liniară din predicții teoretice, precum și din simulări numerice. Săgeata albă indică direcția de polarizare. În centru, a fost posibil să se observe un punct fix de focalizare așa cum era de așteptat. În plus, modelul de intensitate se rotește în direcția polarizării liniare, deoarece SPP-urile pot fi excitate doar într-o direcție paralelă cu polarizarea incidentă.

( a - c ) Calcul teoretic și ( d - f ) rezultatele simulării numerice a distribuției câmpului plasmonic cu (m, n, l) = (2, 2, −3) excitat de fasciculul vortex polarizat liniar. Săgețile albe indică iluminarea incidentă la diferite unghiuri ale componentelor câmpului electric.

Imagine la dimensiune completă

discuţie

În cele din urmă, am propus o propunere SBPVL care este potrivită pentru conversia unui câmp complex optic într-un vortex plasmonic adaptabil. S-au adoptat metode teoretice și numerice pentru a studia efectul general asupra caracteristicilor câmpului vortexului plasmonului sintetizat, care decurg nu numai din lumina AM, ci și din structura geometrică TC a SBPVL. În plus, s-a demonstrat că TC geometric care rezultă din SBPVL cu limite neomogene este determinat de suprapunerea neliniară a pasului și de numărul de lame. TC al unui vortex plasmonic poate fi găsit în conformitate cu legea conservării AM (j = σ + l + m × n), care se aplică atât parametrilor fracționari, cât și parametrilor întregi. În plus, dimensiunea centrului întunecat și a inelului primar depinde de soluția j | - dispunerea unei funcții Bessel de primul fel, permițând o estimare rapidă a modelului FWHM al radiației în câmpul apropiat. Se demonstrează în continuare că, prin ajustarea specifică a parametrilor structurii, SBPVL poate focaliza, de asemenea, lumina rotitoare polarizată liniar, indiferent de direcțiile sale de polarizare. Această lucrare deschide o nouă modalitate de manipulare a vortexului plasmonic în modul lungime de undă și poate găsi multe aplicații importante în captarea optică, stocarea optică a datelor și alte câmpuri conexe.

metode

Metoda de simulare

Simulările metalice ale caracteristicilor SBPVL sunt realizate utilizând modulul de înaltă frecvență al software-ului comercial COMSOL. Dispozitivul este înconjurat de straturi perfect potrivite, care sunt utilizate pentru a absorbi câmpuri optice împrăștiate. Intensitatea câmpului apropiat și separarea fazelor sunt calculate utilizând post-procesarea disponibilă în COMSOL.

Derivarea teoretică a expresiei câmpului plasmonic

Câmpul electric la punctul de observare poate fi exprimat ca:

unde a fost utilizată ecuația SBPVL dată în ecuația (1). Neglijarea pierderii de propagare SPP, adică Im (k r) ≈ 0 și utilizați folosind = nλ spp, ϕ = 2 π/m,

Presupunând că structura este suficient de mare în raport cu λ spp, dimensiunea sa poate fi aproximată cu r 0, astfel încât ecuația (8) poate fi rescrisă astfel: dacă s-a folosit identificarea integrală a funcției Bessel.

Mai multe detalii

Cum se citează acest articol: Rui, G. și colab. Adaptarea câmpului complexului optic cu o lentilă vortex plasmonală. Știință. reprezentant. 5, 13732; doi: 10, 1038/srep13732 (2015).

Comentarii

Prin trimiterea unui comentariu, sunteți de acord să respectați Termenii și condițiile și Regulile comunității. Dacă găsiți ceva jignitor sau nu respectați termenii sau liniile directoare, marcați-l ca fiind nepotrivit.