Нанофокусировка с помощью заострённых структур
Дегтярев С.А., Устинов А.В., Хонина С.Н.

Институт систем обработки изображений РАН,
Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. П. Королёва
(национальный исследовательский университет) (СГАУ)

PDF, 423 kB

DOI: 10.18287/0134-2452-2014-38-4-629-637

Страницы: 629-637.

Аннотация:
В работе показана возможность нанофокусировки в ближнем поле не только с помощью металлических, но также и диэлектрических структур с резкими краями. Исходя из векторных интегралов Рэлея-Зоммерфельда, показан эффект экстраординарного усиления продольной компоненты электромагнитного поля вблизи разрывов функции падающего поля, связанных с резкими скачками в рельефе оптического элемента. Методом конечных элементов выполнено моделирование дифракции электромагнитного излучения на остриях металлических структур, а также диэлектрических структур, имеющих высокий показатель преломления. Показано, что получаемый размер фокусного пятна по полуспаду интенсивности FWHM (full width at a half maximum) почти прямо пропорционально зависит от радиуса кривизны острия структуры. Для острой фокусировки предложена оптическая схема, состоящая из накопителя, собирающего и направляющего излучение на нанофокусатор. В качестве накопителя предлагается использовать рефракционный аксикон, собирающий излучение на свою вершину, где располагается нанофокусатор - алюминиевая или кремниевая наносфера. При этом необходимо освещать аксикон пучком с вихревой фазовой зависимостью первого порядка или радиально-поляризованным пучком. Предложенная схема способна обеспечить локализацию излучения в световом пятне размером FWHM = l/400.

Ключевые слова :
микрооптика, субволновые структуры, сингулярная оптика, нанофокусировка, эффект громоотвода, метод конечных элементов.

Литература:

  1. Chen, W. Numerical study of an apertureless near field scanning optical microscope probe under radial polarization illumination / W. Chen, Q. Zhan // Optics Express. - 2007. - Vol. 15(7). - P. 4106.
  2. Wang, J. Development and prospect of near-field optical measurements and characterizations / J. Wang, Q. Wang, M. Zhang // Frontiers of Optoelectronics. - 2007. - Vol. 5(2). - P. 171-181.
  3. Nalimov, A. Hyperbolic secant slit lens for subwavelength focusing of light / A. Nalimov, V. Kotlyar // Optics Letters. - 2013. - Vol. 38(15). - P. 2702-2704.
  4. Gramotnev, D.K. Nanofocusing of electromagnetic radiation / D.K. Gramotnev, S.I. Bozhevolnyi // Nature Photonics. - 2014. - Vol. 8. - P. 14-23.
  5. Novotny, L. Near-field imaging using metal tips illuminated by higher-order Hermite-Gaussian beams / L. Novotny, E.J. Sanchez, X.S. Xie // Ultramicroscopy. - 1998. - Vol. 71. - P. 21-29.
  6. Zhang, J. Nanostructures for surface plasmons / J. Zhang, L. Zhang // Advances in Optics and Photonics. - 2012. - Vol. 4(2). - P. 157-321.
  7. Ермушев, А.В. Поверхностное усиление локальных световых полей и "эффект громоотвода" / А.В. Ерму­шев, Б.В. Мчедлишвили, В.А. Олейников, А.В. Петухов // Квантовая электроника. - 1993. - Т. 20, № 5. - С. 503-508.
  8. Khonina, S.N. Controlling the contribution of the electric ?eld components to the focus of a high-aperture lens using binary phase structures / S.N. Khonina, S.G. Volotovsky // Journal of the Optical Society of America A. - 2010. - Vol. 27(10). - P. 2188-2197.
  9. Хонина, С.Н. Острая фокусировка лазерного излучения с помощью двухзонного аксиального микроэлемента / С.Н. Хонина, Д.А. Савельев, А.В. Устинов // Компьютерная оптика. - 2013. - Т. 37, № 2. - С. 160-169.
  10. Дегтярев, С.А. Исследование возможности субволновой локализации излучения за счёт формирования близкорасположенных сингулярных линий с помощью субволновых деталей диэлектрического микрорельефа / С.А. Дегтярев, С.Н. Хонина // Компьютерная оптика. - 2013. - Т. 37, № 4. - С. 426-430.
  11. Bezus, E.A. Eva-nescent-wave interferometric nanoscale photolithography using guided-mode resonant gratings / E.A. Bezus, L.L. Doskolovich, N.L. Kazanskiy // Microelectronic Engineering. - 2011. - Vol. 88(2). - P. 170-174.
  12. Безус, Е.А. Формирование интерференционных картин затухающих электромагнитных волн для наноразмерной литографии с помощью волноводных дифракционных решеток / Е.А. Безус, Л.Л. Досколович, Н.Л. Казанский // Квантовая электроника. - 2011. - Т. 41, № 8. - C. 759-764.
  13. Устинов, А.В. Анализ дифракции плоского пучка на рассеивающем фраксиконе в непараксиальном режиме / А.В. Устинов, С.Н. Хонина // Компьютерная оптика. - 2014. - Т. 38, № 1. - С. 42-50.
  14. Alferov, S.V. Study of polarization properties of fiber-optics probes with use of a binary phase plate / S.V. Alfe­rov, S.N. Khonina, S.V. Karpeev // Journal of the Optical Society of America A. - 2014. - Vol. 31(4). - P. 802-807.
  15. Хонина, С.Н. Высокоапертурные бинарные аксиконы для формирования продольной компоненты электрического поля на оптической оси при линейной и круговой поляризации освещающего пучка / С.Н. Хонина, Д.А. Са­вельев // Журнал экспериментальной и теоретической физики. - 2013. - Т. 144, Вып. 4(10). - С. 718-726.
  16. Musa, S.M. Computational Finite Element Methods in Nanotechnology. - CRC Press. 2012. - 640 p.
  17. Handbook of Optical Constants of Solids / ed. by E.D. Pa­lik. - Academic, 1998.
  18. Устинов, А.В. Расчёт комплексной функции пропускания рефракционных аксиконов / А.В. Устинов, С.Н. Хо­нина // Компьютерная оптика. - 2011. - Vol. 35(4). - C. 480-490.
  19. Савельев, Д.А. Влияние субволновых деталей микрорельефа на картину дифракции Гауссовых пучков / Д.А. Савельев, С.Н. Хонина // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. академика С.П. Королёва (национального исследовательского университета). - 2014. - № 1(43). - С. 275-286.

© 2009, IPSI RAS
Institution of Russian Academy of Sciences, Image Processing Systems Institute of RAS, Russia, 443001, Samara, Molodogvardeyskaya Street 151; E-mail: ko@smr.ru; Phones: +7 (846) 332-56-22, Fax: +7 (846) 332-56-20