Формирование и фокусировка векторного оптического вихря с помощью металинзы
Котляр В.В.
, Налимов А.Г.

 

Институт систем обработки изображений РАН – филиал ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН, Самара, Россия,

Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва, Самара, Россия

Аннотация:
Численно с помощью FDTD-моделирования показано, что при освещении спиральной металинзы из аморфного кремния с топологическим зарядом m = 1, числовой апертурой 1 и фокусным расстоянием, равным длине волны, вблизи её поверхности формируется острый фокус в виде круглого пятна (при освещении светом с ТЕ-поляризацией) или кольца (при освещении светом с ТМ-поляризацией). Показано численно и теоретически, что при острой фокусировке лазерного света в картине распределения интенсивности в фокусе имеются локальные области (симметричные и несимметричные, в центре картины или на периферии), в которых поток световой энергии имеет обратное направление. Например, обратный поток энергии вблизи оптической оси возникает при m = 1 и левой круговой поляризации или при m = 2 и правой круговой поляризации. Обнаруженный эффект можно использовать для смещения микрочастицы в обратном направлении по отношению к направлению распространения пучка.

Ключевые слова:
зонная пластинка, дифракционная решетка, оптические вихри, металинза, обратный поток энергии, «оптический трактор».

Цитирование:
Котляр, В.В. Формирование и фокусировка векторного оптического вихря с помощью металинзы / В.В. Котляр, А.Г. Налимов // Компьютерная оптика. – 2017. – Т. 41, № 5. – С. 645-654. – DOI: 10.18287/2412-6179-2017-41-5-645-654.

Литература:

  1. Litchinitser, N.M. Structured light meets structured matter / N.M. Litchinitser // Science. – 2012. – Vol. 337, Issue 6098. – P. 1054-1055. – DOI: 10.1126/science.1226204.
  2. Kildishev, A.V. Planar photonics with metasurfaces / A.V. Kildishev, A. Boltasseva, V.M. Shalaev // Science. – 2013. – Vol. 339, Issue 6125. – 1232009. – DOI: 10.1126/science.1232009.
  3. Zhao, Z. Metamaterials-based broadband generation of orbital angular momentum carrying vector beams / Z. Zhao, J. Wang, S. Li, A.E. Willner // Optics Letters. – 2013. – Vol. 38, Issue 6. – P. 932-934. – DOI: 10.1364/OL.38.000932.
  4. Yi, X. Generation of cylindrical vector vortex beams by two cascaded metasurfaces /. Yi, X. Lin, Z. Zhang, Y. Li, X. Zhou, Y. Liu, S. Chen, H. Luo, S. Wen // Optics Express. – 2014. – Vol. 22, Issue 14. – P. 17207-17215. – DOI: 10.1364/OE.22.017207.
  5. Zhao, Z. Multispectral optical metasurfaces enabled by achromatic phase transition / Z. Zhao, M. Pu, H. Gao, J. Jin, X. Li, X. Ma, Y. Wang, P. Gao, X. Luo // Scientific Reports. – 2015. – Vol. 5. – 15781. – DOI: 10.1038/srep15781.
  6. Sun, J. Spinning light on the nanoscale / J. Sun, X. Wang, T. Xu, Z.A. Kudyshev, A.N. Cartwright, N.M. Litchinitser // Nano Letters. – 2014. – Vol. 14, Issue 5. – P. 2726-2729. – DOI: 10.1021/nl500658n.
  7. Karimi, E. Generating optical orbital angular momentum at visible wavelengths using a plasmonic metasurface / E. Karimi, S.A. Schulz, I.D. Leon, H. Qassim, J. Upham, R.W. Boyd // Light Science & Applications. – 2014. – Vol. 3. – e167. – DOI: 10.1038/lsa.2014.48.
  8. Wang, W. Ultra-thin optical vortex phase plate based on the metasurface and the angular momentum transformation / W. Wang, Y. Li, Z. Guo, R. Li, J. Zhang, A. Zhang, S. Qu // Journal of Optics. – 2015. – Vol. 17, Issue 4. – 045102. – DOI: 10.1088/2040-8978/17/4/045102.
  9. Chong, K.E. Polarization-independent silicon metadevices for efficient optical wavefront control / K.E. Chong, I. Staube, A. James, J. Dominguez, S. Liu, S. Campione, G.S. Subramania, T.S. Luk, M. Decker, D.N. Neshev, I. Brener, Y.S. Kivshar // Nano Letters. – 2015. – Vol. 15, Issue 8. – P. 5369-5374. – DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b01752.
  10. Chen, H. A review of metasurfaces; physics and applications / H. Chen, A.J. Taylor, N. Yu // Reports on Progress in Physics. – 2016. – Vol. 79, Issue 7. – 076401. – DOI: 10.1088/0034-4885/79/7/076401.
  11. Decker, M. High-efficiency dielectric Huygens' surfaces / M. Decker, I. Staube, M. Falkner, J. Dominguez, D.N. Neshev, I. Brener, T. Pertsch, Y.S. Kivshar // Advanced Optical Materials. – 2015. – Vol. 3, Issue 6. – P. 813-820. – DOI: 10.1002/adom.201400584.
  12. Jin, J. Generating and detection of orbital angular momentum via metasurface / J. Jin, J. Luo, X. Zhang, H. Gao, X. Li, M. Pu, P. Gao, Z. Zhao, X. Luo // Scientific Reports. – 2016. – Vol. 6. – 24286. – DOI: 10.1038/srep24286.
  13. Yue, F. Vector vortex beam generation with a single plasmonic metasurface / F. Yue, D. Wen, J. Xin, B.D. Gerardot, J. Li, X. Chen // ACS Photonics. – 2016. – Vol. 3, Issue 9. – P. 1558-1563. – DOI: 10.1021/acsphotonics.6b00392.
  14. Mei, S. Flat helical nanosieves / S. Mei, M.Q. Mehmood, S. Hussain, K. Huang, X. Ling, S.Y. Siew, H. Liu, J. Teng, A. Danner, C. Qiu // Advanced Functional Materials. – 2016. – Vol. 26, Issue 29. – P. 5225-5262. – DOI: 10.1002/adfm.201601345.
  15. Kruk, S. Brodband highly efficient dielectric metadevices for polarization control / S. Kruk, B. Hopkins, I.I. Krav­chenko, A. Miroshnichenko, D.N. Neshev, Y.S. Kivshar // APL Photonics. – 2016. – Vol. 1. – 030801. – DOI: 10.1063/1.4949007.
  16. Wang, L. Grayscale transparent metasurface holograms / L. Wang, S. Kruk, H. Tank, T. Li, I. Kravchenko, D.N. Neshev, Y.S. Kivshar // Optica. – 2016. – Vol. 3, Issue 12. – P. 1504-1505. – DOI: 10.1364/OPTICA.3.001504.
  17. Genevet, P. Recent advances in planar optics: from plasmonic to dielectric metasurfaces / P. Genevet, F. Capasso, F. Avieta, M. Khorasaninejad, R. Devlin // Optica. – 2017. – Vol. 4, Issue 1. – P. 139-152. – DOI: 10.1364/OPTICA.4.000139.
  18. Huang, L. Volumetric generation of optical vortices with metasurfaces / L. Huang, X. Song, B. Reineke, T. Li, X. Li, J. Liu, S. Zhang, Y. Wang, T. Zentgraf // ACS Photonics. – 2017. – Vol. 4, Issue 2. – P. 338-346. – DOI: 10.1021/acs­photonics.6b00808.
  19. Liu, Y. Generation of perfect vortex and vector beams based on Pancharatnam-Berry phase elements / Y. Liu, Y. Ke, J. Zhou, Y. Liu, H. Luo, S. Wen, D. Fan // Scientific Reports. – 2017. – Vol. 7. – 44096. – DOI: 10.1038/srep44096.
  20. Ting, W. Immersion meta-lenses at visible wavelengths for nanoscale imaging / W. Ting, A.Y. Zhu, M. Khorasa­ni­ne­jad, Z. Shi, V. Sanjeev, F. Capasso // Nano Letters. – 2017. – Vol. 17, Issue 5. – P. 3188-3194. – DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b00717.
  21. Kotlyar, V.V. Thin high numerical aperture metalens / V.V. Kotlyar, A.G. Nalimov, S.S. Stafeev, Ch. Hu, L. O'Fa­olain, M.V. Kotlyar, D. Gibson, S. Song // Optics Express. – 2017. – Vol. 25, Issue 7. – P. 8158-8167. – DOI: 10.1364/OE.25.008158.
  22. Heckenberg, N.R. Generation of optical singularities by computer-generated holograms / N.R. Heckenberg, R. McDuff, C.P. Smith, A.G. White // Optics Letters. – 1992. – Vol. 17, Issue 3. – P. 221-223. – DOI: 10.1364/OL.17.000221.
  23. Lalanne, P. On the effective medium theory of subwavelength periodic structures / P. Lalanne, D. Lemercier-Lalanne // Journal of Modern Optics. – 1996. – Vol. 43, Issue 10. – P. 2063-2085. – DOI: 10.1080/09500349608232871.
  24. Novitsky, A.V. Negative propagation of vector Bessel beams / A.V. Novitsky, D.V. Novitsky // Journal of the Optical Society of America A. – 2007. – Vol. 24, Issue 9. – P. 2844-2849. – DOI: 10.1364/JOSAA.24.002844.
  25. Sukhov, S. On the concept of “tractor beams” / S. Sukhov, A. Dogariu // Optics Letters. – 2010. – Vol. 35, Issue 22. – P. 3847-3849. – DOI: 10.1364/OL.35.003847.
  26. Kotlyar, V.V. Analysis of the shape of a subwavelength focal spot for the linear polarized light / V.V. Kotlyar, S.S. Stafeev, Y. Liu, L. O’Faolain, A.A. Kovalev // Applied Optics. – 2013. – Vol. 52, No. 3. – P. 330-339. – DOI: 10.1364/AO.52.000330.
  27. Monteiro, P.B. Angular momentum of focused beams: Beyond the paraxial approximation / P.B. Monteiro, P.A.M. Neto, H.M. Nussenzveig // Physical Review A. – 2009. – Vol. 79. – 0330830. – DOI: 10.1103/PhysRevA.79.033830.

© 2009, IPSI RAS
Россия, 443001, Самара, ул. Молодогвардейская, 151; электронная почта: ko@smr.ru ; тел: +7 (846) 242-41-24 (ответственный секретарь), +7 (846) 332-56-22 (технический редактор), факс: +7 (846) 332-56-20