Высокоапертурные металинзы, тороидальный и обратный поток в фокусе Текст научной статьи по специальности «Физика»

ВКВ0-2019 Нанофотоника

ВЫСОКОАПЕРТУРНЫЕ МЕТАЛИНЗЫ, ТОРОИДАЛЬНЫМ И ОБРАТНЫЙ ПОТОК В ФОКУСЕ

Котляр В.В.

Институт систем обработки изображений РАН - филиал ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН,

г. Самара E-mail: kotlyar@smr.ru

DOI 10.24411/2308-6920-2019-16133

В последнее время для формирования лазерных пучков с заданными свойствами используют оптические элементы с метаповерхностью [1-5]. Компоненты с метаповерхностью представляют из себя наноструктурированную пленку из металла, полупроводника или диэлектрика толщиною 100-200 нанометров и с размером неоднородности меньше длины волны. Метаповерхность может состоять из набора наностолбиков [4, 5] или набора субволновых бинарных дифракционных решеток [3]. Расположение столбиков (или штрихов дифракционной решетки) и их размеры варьируются по поверхности элемента так, чтобы одновременно управлять заданным образом амплитудой, фазой и поляризацией падающего света в каждой точке метаповерхности.

Возникает вопрос: можно ли рассчитать такую метаповерхность, которая бы при разном освещении формировала световые поля то с поляризационной, то с фазовой сингулярностью?

В данной работе теоретически и численно показано, что металинза, содержащая в себе бинарную зонную пластинку с числовой апертурой близкой к единице и набор бинарных субволновых дифракционных решёток, работающих как полуволновые пластины, и выполняющих поворот вектора поляризации падающего поля на угол my, формируют сходящийся векторный цилиндрический пучок m-го порядка (при падении света линейной поляризации) или фазовый вихрь с топологическим зарядом m (при падении света с круговой поляризацией). В остром фокусе такого сходящегося светового поля на оптической оси имеет место обратный поток световой энергии, сравнимый с прямым потоком.

На рис. 1а показан внешний вид бинарного рельефа метаповерхности, состоящий из 16-ти секторных субволновых бинарных дифракционных решеток, который преобразует падающую плоскую волну с линейной поляризацией в пучок с цилиндрической поляризацией 2-го порядка.

а) х, мкм б)

Рис. 1. Метаповерхность для формирования цилиндрической поляризации 2-го порядка (а) и бинарная

металинза (б), фокусирующее это излучение

А на рис.1 б показана металинза, объединяющая пропускание субволнового поляризауцтора (рис.1 а) и бинарной зонной пластинки с числовой апертурой близкой к единице. Металинза составлялась из 16 секторов. В каждом секторе решетки чередуются в соответствии с зонами зонной пластинки Френеля, рассчитанной на фокусное расстояние f=^=633 нм: в каждой следующей зоне направление поляризации поворачивается на п относительно предыдущей. При этом направление штрихов решеток, примыкающих к границе зон, взаимно перпендикулярно. При показателе преломления материала метаповерхности я=4,352+0,486У (аморфный кремний) высота рельефа составляет 120 нм. Период решеток составляет 220 нм.

Если осветить плоской волной метаповерхность на рис. 1а, то прошедшее световое поле на расстоянии длины волны от метаповерхности будет иметь распределение интенсивности и поляризации, показанное на рис. 2а. На рис.2б показано распределение цилиндрической поляризации

№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» www.fotonexpres.rnfotonexpress@mail.ru

263

ВКВО-2019- ВКВО-2019 Нанофотоника

2-го порядка. Видно, что оба распределения поляризации на рис.2а и 2б совпадают и повернуты на 180 градусов относительно друг друга.

Т

О 4

а) Х,мкм б) Х,МКМ

Рис. 2. Интенсивность излучения, прошедшего через метаповерхность (а), изображенную на рис. 1а (негатив). Стрелками показано направление поляризации по полю в идеальном случае (б) и после

прохождения металинзы (а)

Как видно из рис.2, преобразование с помощью метаповерхности не дает равномерного светового распределения интенсивности, так как в разных секторах процент света, проходящий через них различный. На рис. 3 представлены результаты расчета фокусировки излучения металинзой (рис. 1б) для падающей плоской волны с линейной поляризацией, ограниченной апертурой 8 мкм.

1

2,57

а)

0

X, мкм

1

1,47

-0,9

Рис. 3. Интенсивность (а) и продольная проекция вектора Пойнтинга (б) в фокусной плоскости на расстоянии 0,6мкм от металинзы. Падающее поле с линейной поляризацией

Из рис.3б видно, что имеет место обратный поток энергии в центре фокусного пятна (выделено пунктиром). Область с обратным потоком в плоскости XY представляет собой эллипс, диаметры которого составляют 0,27 мкм и 0,35 мкм (длина волны 0,633 мкм). В случае использования металинзы (рис. 16) при фокусировке теряется симметрия вдоль оси X и Y в проекции вектора Пойнтинга, что объясняется разной эффективностью при преобразовании поляризации в зависимости от угла поворота вектора электрического поля. Дифракционная эффективность металинзы на рис.1б около 30%.

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (грант 17-19-01186) в части расчета спиральной метаповерхности и Российского фонда фундаментальных исследований (грант 18-29-20003) в части моделирования острой фокусировки лазерного излучения.

Литература

1. Yu N, et al, Sc. 334, 333-337(2011)

2. Arbabi I, et al, Nat. Nanotechn. 10, 937-943 (2015)

3. KotlyarV., et al, Opt. Express 25, 8158-8167(2017)

4. Tian S, et al, Opt. Express 27, 680-688 (2019)

5. Park C, et al, Opt. Express 27, 667-678 (2019)

264

№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru