• elemeket
  • absztrakt
  • bevezetés
  • az eredmény
  • A plazmonikus mező elméleti kifejezése
  • Numerikus modellezés háromdimenziós (3D) véges elemek módszerével
  • A törtparaméterek hatása
  • Lineárisan polarizált örvénynyaláb fókuszálása
  • vita
  • mód
  • Szimulációs módszer
  • A plazmonikus mező expressziójának elméleti levezetése
  • További részletek
  • Hozzászólások

elemeket

  • Nanfotonika és plazmonika
  • Nanoméretű eszközök

absztrakt

Az optikai komplex terek növekvő érdeklődést váltanak ki a polarizáció térbeli inhomogén állapotából fakadó új hatások és jelenségek, valamint a fénysugár optikai sajátosságai miatt. Ebben a munkában a plazmonális örvénylencse (SBPVL) spirálpengéjét javasoljuk, amely egyedülálló lehetőségeket kínál ezen új mezők manipulálására. Az SBPVL és az optikai komplex mezők közötti erős kölcsönhatás lehetővé teszi egy nagyon hangolható plazmonikus örvény szintézisét. Elméleti származékokkal és numerikus szimulációkkal megmutattuk, hogy a plazmon-örvény jellemzőit a fény szögmomentuma (AM) és az SBPVL geometriai topológiai töltés határozza meg, amelyet a penge magasságának és számának nemlineáris egymásra helyezése irányít. Továbbá bebizonyosodik, hogy a geometriai paraméterek beállításával az SBPVL felhasználható az optikai komplex mező fókuszálására és az AM frakcionális kezelésére. Ez a miniatűr plazma eszköz potenciális alkalmazásokat találhat az optikai rögzítésben, az optikai adattárolásban és sok más kapcsolódó területen.

lencsés

Ebben a munkában egy spirális pengével (SBPVL) rendelkező plazmonális örvénylencsét terveztünk, amely alkalmas az optikai komplex mező plazmonikus örvényhez való adaptálására. Megvizsgálják az optikai térszerkezetek és az SBPVL általános hatását a szintetizált SPP örvény tulajdonságaira is. Az elméleti számítás és a numerikus szimuláció eredményei azt mutatják, hogy az SPP örvény fotonjára jutó OAM örökli az AM fénysugarat és a csavart fém/dielektromos interfészt, lehetővé téve a plazmon örvény előállításának módját, szinte bármilyen teljes test topológiai töltésével (TC). Ezenkívül a geometriai TC SBPVL-t megállapították, hogy a pengeelemek magasságának és számának nemlineáris egymásra helyezése. Továbbá az optikai AM megőrzésének törvénye az SPP örvénygenerációs folyamat során megerősítést nyert a spin-pálya interakció bizonyítékaként ebben a plazmon rendszerben.

az eredmény

A plazmonikus mező elméleti kifejezése

A javasolt SBPVL felépítési és számítási koordinátákat az 1. ábra mutatja. Az SBPVL több ívelt résből áll, vékony aranyrétegbe vésve. Helyi hengeres koordinátáiban az SBPVL a következőképpen írható le:

ahol m a pengeelemek számát jelöli, r 0 az SBPVL geometriai középpontjától a legbelső élig terjedő távolságot jelölő állandó, a mod (mϕ, 2π) az mϕ 2 π és Δ ϕ = 2 n osztás emlékeztetőjét jelenti./m. Az SBPVL távolság (Λ) a következő: Λ = nλ spp, ahol n egész szám, λ spp pedig az arany/levegő határfelületen terjedő SPP hullámhossza. Figyelembe véve az OAM 1 és SAM σ z irányban terjedő, általában előforduló optikai komplex mezőt, hengeres koordinátákban kifejezhető:

Az SBPVL egy m görbített résből áll, amelynek lejtése n α spp egységekben. ( a ) (m, n) = (2, 2). ( b ) (m, n) = (3, 3).

Teljes méretű kép

a - i ) intenzitáseloszlás és j - r ). A felső, a középső és az alsó sor megfelel az LHC (σ = −1), a radiális (σ = 0) és az RHC (σ = 1) polarizációjának. A TC-világítás -3 és 3 között változik, 3-as lépésekkel balra és jobbra oszlopra az egyes paneleken.

Teljes méretű kép

ahol j a plazmon mező TC-jét jelöli. Például, amikor az AM fényt kompenzálni lehet SBPVL-sel (σ + 1 = - m × n), a plazmonikus mező fáziseloszlása ​​az SBPVL geometriai középpontja közelében egyenletes, különösen a TC értéke 0, ami koncentrált fix elhelyezkedés. Más esetekben sötét középponttal rendelkező kúp alakú mezőt kapunk, amely az SPP által továbbított, nem nulla OAM értéket jelzi. Felhívjuk figyelmét, hogy a plazmamező TC-je láthatóvá tehető, ha ellenőrizzük a fázist a fő lebenyek zárt kontúrjai mentén.

A (4) egyenletből egyértelmű, hogy a mezőeloszlást az első fajta Bessel-függvény írja le. Így ez az egyszerű analitikai kifejezés lehetővé teszi számunkra, hogy megvizsgáljuk a közeli mező sugárzásának elsődleges körének és sötét középpontjának méretét. Ha a fő lebeny J0-Bessel-függvény, akkor a sötét középpont mérete 0, és a középső csúcs maximális szélességének (FWHM) felét az elsődleges gyűrű méretének tekintjük. Más esetekben, amikor a fő lebeny a magasabb rendű Bessel-sorrend függvényében részesül, az elsődleges kör méretét és az átlagos sötét foltot az elsődleges körön és a sötét középponton keresztüli FWHM intenzitás-elválasztással értékeljük. A 3. (a) ábra elméleti expresszióval számolva mutatja az FWHM közeli mező sugárzás és a TC plazmon mező kapcsolatát. Nyilvánvaló, hogy a közepes sötét folt lineárisan növeli méretét a j | növekedésével, míg az elsődleges gyűrű mérete ugyanezzel a trenddel növekszik, bár sokkal lassabban.

a ) Elméleti jóslatok a Bessel-függvények megoldásából. b ) A szimuláció 3D végeselemes modellezés eredménye.

Teljes méretű kép

Numerikus modellezés háromdimenziós (3D) véges elemek módszerével

a - i ) intenzitáseloszlás és j - r ). A felső, a középső és az alsó sor megfelel az LHC (σ = −1), a radiális (σ = 0) és az RHC (σ = 1) polarizációjának. A TC-világítás -3 és 3 között változik, 3-as lépésekkel balra és jobbra oszlopra az egyes paneleken.

Teljes méretű kép

Sűrűség és fáziseloszlás a ( 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).

Teljes méretű kép

A törtparaméterek hatása

Felső sor: intenzitás minta. Alsó sor: Fáziseloszlás az intenzitás grafikonon látható kör mentén. Konfigurációk a ( a ) (m, n, σ, l) = (2, 1, 8, 1, −3), ( b ) (m, n, σ, l) = (2, 2, 1, -2, 6) és ( c ) (m, n, σ, l) = (2, 1, 8, 1, -2, 6).

Teljes méretű kép

Lineárisan polarizált örvénynyaláb fókuszálása

A fenti megbeszélések alapján egyértelmű, hogy az optikai komplex mező erősen korlátozott szilárd foltra való fókuszálásának kulcsa egy plazmonikus szerkezet, amely pontosan negatív TC megvilágítási értéket kap. Ez a követelmény azonban csak a σ egész fényre vonatkozik, de nem vonatkozik a lineáris polarizációra. Általában az axiális szimmetriájú plazmonlencse nem képes lineárisan polarizált fényt fókuszálni. Például a Bull Plasmon lencséjét vesszük példának, a lineáris polarizáció által gerjesztett két ellentétes pont mindegyikében elhelyezkedő SPP hullámok E z értéke ellentétes irányú z irányú, ami inhomogén intenzitáseloszláshoz vezet a központban 27. Az aszimmetrikus SBPVL lehetőséget nyújt a lineáris polarizáció homogén fókuszpontjának elérésére. Ha a sugarak eltérése 0,5 x λ spp minden két ellentétes ponton, akkor a lineáris polarizáció által gerjesztett, ebből a két pontból kihagyott SPP hullámok relatív fáziseltolódással rendelkeznek, ami konstruktív interferenciához vezet a központban. Figyelembe véve a lineárisan polarizált örvénynyalábot, amely normálisan megvilágítja az SBPVL-t, a kezdet közelében lévő plazmonikus mező a következőképpen fejezhető ki:

ahol 0 az x tengelyhez viszonyított polarizációs szöget jelöli, a cos the kifejezés pedig annak a ténynek köszönhető, hogy az SPP elektromos áramkörhöz csak egy elektromos rés köthető, amely lokálisan TM a réshez képest polarizált. A lineárisan polarizált kavargó fényben történő fókuszálás általános követelménye m x n - l | = 1. A 7. ábra az SPP s (m, n, l) = (2, 2, -3) intenzitásának eloszlását mutatja, lineáris polarizációval gerjesztve, elméleti előrejelzésekből, valamint numerikus szimulációkból. A fehér nyíl jelzi a polarizáció irányát. A központban lehetőség volt fix fókuszpont megfigyelésére. Ezenkívül az intenzitásminta a lineáris polarizáció irányában forog, mert az SPP-k csak a beeső polarizációval párhuzamos irányban gerjeszthetők.

( a - c ) Elméleti számítás és ( d - f ) eredményei a plazmonmező eloszlásának numerikus szimulációjáról lineárisan polarizált örvénynyalábgal gerjesztve (m, n, l) = (2, 2, −3). A fehér nyilak a beeső megvilágítást jelzik az elektromos mező alkatrészeinek különböző szögeiben.

Teljes méretű kép

vita

Végül javaslatot tettünk egy SBPVL javaslatra, amely alkalmas egy optikai komplex tér átalakítására adaptálható plazmonikus örökké. Elméleti és numerikus módszereket alkalmaztak a szintetizált plazmon örvénymező jellemzőire gyakorolt ​​teljes hatás tanulmányozására, amelyek nemcsak az AM fényből, hanem az SBPVL geometriai TC szerkezetéből is adódnak. Ezenkívül bebizonyosodott, hogy az SBPVL-ből fakadó geometriai TC-t inhomogén határokkal határozza meg a hangmagasság és a pengék számának nemlineáris egymásra helyezése. A plazmaörvény TC-je az AM megmaradásának törvénye szerint található meg (j = σ + l + m × n), amely mind a tört, mind az egész paraméterekre vonatkozik. Ezenkívül a sötét középpont és az elsődleges gyűrű mérete a j | oldattól függ - az első típusú Bessel-függvény elrendezése, amely lehetővé teszi a közeli mező sugárzási mintázatának FWHM gyors becslését. Továbbá bebizonyosodik, hogy a szerkezeti paraméterek speciális beállításával az SBPVL lineárisan polarizált örvény fényt is képes fókuszálni, függetlenül annak polarizációs irányától. Ez a munka új módot nyit a plazmonikus örvény hullámhosszú üzemmódban történő kezelésére, és számos fontos alkalmazást találhat az optikai rögzítésben, az optikai adattárolásban és más kapcsolódó területeken.

mód

Szimulációs módszer

Az SBPVL jellemzők teljes fémszimulációját a kereskedelmi COMSOL szoftver nagyfrekvenciás moduljával hajtják végre. A készüléket tökéletesen illeszkedő rétegek veszik körül, amelyek a szétszórt optikai mezők elnyelésére szolgálnak. A közeli tér intenzitását és a fáziselválasztást a COMSOL-ban elérhető utómunkálatokkal számolják.

A plazmonikus mező expressziójának elméleti levezetése

A megfigyelési ponton az elektromos mező a következőképpen fejezhető ki:

ahol az (1) egyenletben megadott SBPVL egyenletet használtuk. Hanyagolja el az SPP terjedési veszteségét, azaz Im (k r) ≈ 0 és használja = nλ spp, ϕ = 2 π/m,

Feltételezve, hogy a szerkezet elég nagy a λ spp-hez képest, méretét közelíthetjük r 0-val, így a (8) egyenletet így írhatjuk át: ha a Bessel-függvény integrálazonosítóját alkalmaztuk.

További részletek

Hogyan lehet idézni ezt a cikket: Rui, G. és mtsai. Az optikai komplex mező adaptálása lencsés plazmonális örvénylencsével. Sci. ismétlés. 5., 13732; doi: 10, 1038/srep13732 (2015).

Hozzászólások

Megjegyzés benyújtásával elfogadja az Általános Szerződési Feltételeinket és a közösségi irányelveket. Ha bármi sértőnek vagy összeegyeztethetetlennek tűnik a feltételeinkkel vagy irányelveinkkel, jelölje meg nem megfelelőként.