Tvarování infračerveného světla vlnovou délkou skrz otvor pod vlnovou délkou | světlo: věda a aplikace

Tvarování infračerveného světla vlnovou délkou skrz otvor pod vlnovou délkou | světlo: věda a aplikace

Anonim

Abstraktní

Světlo procházející otvorem s vlnovou délkou v neprůhledné desce je základním problémem jak v optické vědě, tak v aplikacích. Pomocí simulací a experimentů ukážeme, že když je díra o vlnové délce ve stříbrném tenkém filmu obklopena dobře navrženými vzory drážek, může se vlnoplocha infračerveného světla skrze něj tvarovat do předem nastaveného komplikovaného vzoru, jako je latinské písmeno „L“ nebo „O“ v dané poloze místo toho, aby byly rozptylovány ve všech směrech. Návrh je vytvořen metodou povrchové vlny-holografie, která umožňuje přímé stanovení povrchové plasmonické struktury pro danou funkčnost vlnoplochy bez nutnosti řešit složité inverzní problémy. Výsledky prohloubí současné chápání tohoto trvalého problému a najdou aplikace v mnoha oblastech, jako je manipulace s vlnami a snímání.

Úvod

Chování světla, které prochází malou dírou v neprůhledné obrazovce, je v základní optice již dávno zavedeným předmětem. V geometrické optice je dobře známo, že dírka může vytvořit obrácený obraz na protilehlé straně dírky v důsledku přímočarého šíření světelných paprsků. Když je díra zmenšena na rozměr srovnatelný s vlnovou délkou, světlo projevuje svou vlnovou povahu a ukazuje difrakční obrazec. 1 Pokud se poloměr díry dále sníží na r << λ , očekává se, že když světlo prochází skrz tuto díru na dokonale vodivém a nekonečně tenkém kovovém filmu, je vlna rozptylována ve všech směrech a účinnost přenosu je slabý a úměrný ( r / λ ) 4 . 2, 3 Experiment však ukázal, že pokud je otvor v vlnové délce v kovové fólii obklopen periodickými drážkami, může se propouštěné světlo objevit jako paprsek s malou úhlovou divergencí místo toho, aby bylo rozptylováno do širokého úhlového rozsahu. 4 Interakce mezi povrchovou elektromagnetickou vlnou (nazývanou povrchová plazmonová vlna) a kovovou strukturou pod vlnovou délkou je považována za klíčovou roli v tomto jevu. Od tohoto objevu byly k odpovědi na tuto klasickou otázku přidány paprskové a zaostřovací efekty existující nad nebo na vlnitém kovovém povrchu 6 . Na druhé straně, s vývojem optiky blízkého pole a vynálezem různých nanoměrových laserů, např. Kvantového kaskádového laseru 7 a laseru s velmi malou aperturou, 8, 9 chování světla procházejícího skrz díru o vlnové délce a manipulace přenášeného nábřeží vedla k velké pozornosti. 10, 11, 12

Holografie povrchových vln je přístup, který začleňuje koncept konvenční holografie do režimu povrchových elektromagnetických vln, např. Povrchových plazmonových polaritonů (SPP). 13, 14, 15 Nedávno byl navržen přístup v rámci holografie povrchové vlny k manipulaci s elektromagnetickým vlnovcem skrz díru s vlnovou délkou. 16 V této metodě je základním přístupem zaznamenávání interferenčního vzoru mezi excitovanou povrchovou elektromagnetickou vlnou z díry a objektovou vlnou, která je emitována z požadovaných vzorů ve formě hologramu povrchové vlny z kovových desek. Implementací konceptů psaní informací, zaznamenávání informací a opětovného vytváření informací, které jsou dobře známy v konvenční holografii, umožňuje tato metoda přímému určení struktury povrchové zvlnění kovového filmu k realizaci dané funkčnosti přenosu elektromagnetické vlny bez potřeba řešit složité inverzní problémy. V této práci dále rozvíjíme tuto myšlenku tvarováním čela vlny infračerveného světla (při vlnové délce 1064 nm) procházejícím otvorem o poloměru 180 nm, který je obklopen dobře navrženými drážkovými vzory, do předem určených komplexních vzorů, jako je latina písmena. Výsledky silně podporují účinnost metody navrhování kovových nanostruktur tvarujících vlnoplochy.

Metody

Obecný fyzický obraz naší myšlenky

Jak je znázorněno na obrázku la, drážky jsou leptány na perforovaném kovovém filmu (pro větší pohodlí definujeme plochu s drážkami jako přední strana a strana bez drážek jako zadní strana) a dopadající světlo svítí ze zadní strany. Kvůli hloubce hlubokých vlnových délek díry jsou povrchové vlny excitovány na přední ploše (povrchové vlny na zadní straně se netýkají). 16 Tyto povrchové vlny jsou rozptylovány drážkami, když se šíří ven z díry. Jsou-li tyto drážky umístěny ve správných polohách, v důsledku interference rozptýlených vln se může v dané poloze na přední straně objevit navržený vzor rozložení pole. Metoda použitá pro stanovení pozic těchto drážek a její účinnost jsou předmětem tohoto článku. Zdůrazňujeme, že vlny rozptýlené do volného prostoru drážkami inherentně šíří vlny; proto je lze sbírat objektivem, pokud jsou rozptýlené úhly uvnitř číselného otvoru. Z tohoto důvodu používáme objektiv v našem experimentu ke sledování rozložení pole v rovině v jakékoli výšce od přední strany, včetně roviny bezprostředně nad přední stranou. K testování schopnosti manipulace s vlnami našich vzorků se používá systém znázorněný na obrázku 1b (viz doplňkové informace, oddíl I, kde jsou uvedeny další podrobnosti o experimentálním nastavení).

Image

Znázornění systému. a ) Schematický diagram vlnové manipulace se světlem skrz otvor pod vlnovou délkou vyvrtaný na opticky neprůhledném stříbrném tenkém filmu. Díra pod vlnovou délkou je obklopena řadou mělkých a úzkých drážek (obvykle λ / 10 hluboká a λ / 10 široká). Incidentní světlo, např. Kruhová polarizovaná rovinná vlna, svítí ze zadní strany stříbrného filmu a v dané poloze se objevuje složitý vzor, ​​jako je písmeno L. b ) Experimentální uspořádání. Zaostřovací objekt se používá k získání dopadající vlny s vysokou intenzitou na zadní straně a zobrazovací objektiv se může pohybovat dopředu a dozadu na přední straně, aby viděl rozdělení pole v různých výškách.

Obrázek v plné velikosti

Výroba

Stříbrné filmy o tloušťce 240 nm se nanesou na substráty Si02 magnetronovým naprašováním. Nejprve přeneseme navržený vzor drážky na stříbrný film pomocí litografie zaostřeného iontového paprsku. Dále vytvoříme na stříbrném filmu díru o poloměru 180 nm. Řízením doby prodlevy frézování zaměřeného iontovým paprskem je propíchnutelná pouze díra a drážky mají hloubku přibližně 100 nm. Snímky ze skenovací elektronové mikroskopie (SEM) se pořizují během výroby vzorku.

Optická měření

Optická měření jsou založena na domácím horizontálním mikroskopickém systému. Jedná se o tři vysoce přesné překladové fáze [Physik Instrument (PI Shanghai, Čína) Co., Ltd.]. Směr šíření světla je definován jako osa z . Za prvé, zaostřovací objektiv (objektiv 60x Zeiss) je namontován na translační fázi z -axis tak, že můžeme nastavit ohnisko v rovinách našich vzorků ze stříbrného filmu a získat výskyt s vysokou intenzitou. Poté se vzorky umístí na translační stupeň s vysokou přesností v osách xay, aby se umístil otvor v každém vzorku na ohnisko zaostřovacího objektivu. Nakonec se zobrazovací objekt (100x objektiv Olympus) může pohybovat přesně ve směru x , y a z, aby sledoval rozdělení pole. Operačně nejprve pomocí bílého světla osvětlíme vzorek ze strany zobrazovacího objektivu, tj. V provozním režimu systému reflexní mikroskopie, a prohledáme vzorek stříbrného filmu. 1064 nm laser se pak zavede ze strany zaostřovacího objektivu. Snímky jsou zachyceny zařízením spoplatněným připojeným k počítači.

Výsledky a diskuse

Jako příklad ukážeme krok za krokem, jak tvarovat infračervené světlo skrz díru pod vlnovou délkou do distribuce ve tvaru „L'“ v dané výšce nad čelním povrchem. Jak je ukázáno v literatuře, jedná se o 16 kroků: proces psaní, proces výroby vzorku hologramu a proces čtení. Proces psaní určuje pozice drážek pro danou funkčnost vlnoplochy. Předpokládejme, že očekáváme, že se rozložení pole „L'-pattern“ objeví ve vzdálenosti 10, 64 µm (s vědomím, že vlnová délka zájmu v tomto papíru je 1064 nm) nad přední plochou, když je otvor osvětlen. K dosažení tohoto cíle nejprve použijeme metodu konečných diferenčních časových domén (FDTD) pro výpočet šíření zdroje „L“, jak je znázorněno na obrázku 2a1, jehož polarizace elektrického pole je podél osy x . V tomto článku definujeme boční osu jako osu x a podélnou osu jako osu y ; osa z je proto kolmá k rovině papíru. Zdroj 'L' je umístěn v z = 10, 64 um a propagační pole ve vzdálenosti 10, 64 um, tj. V rovině z = 0, je uloženo jako Uo . Potom extrahujeme fázové rozdělení x složky elektrického pole U 0 a označíme ji jako φ 0 ( x , y ). Zápisová povrchová vlna excitovaná otvorem s vlnovou délkou má fázi exp (i nkr ), kde n je efektivní index lomu povrchové vlny, k je číslo vlny ve vakuu a r = ( x 2 + y 2 ) 1 / 2 . Vybereme n ≈ n SPP = [ ε 1 ε 2 / ( ε 1 + ε 2 )] 1/2 = 1, 01, kde SPP znamená povrchový plasmon polariton, ε 1 je permitivita vzduchu a ε 2 je permitivita stříbra . 17 Podle literatury bychom měli 16 vyřezávat drážky v pozicích, kde [- φ 0 ( x , y )] - nkr = 2 mπ (viz Doplňující informace, oddíl II), kde m je celé číslo. V praxi rozdělujeme rovinu z = 0 na počet 30 × 30 nm 2 pixelů (což odpovídá mřížce použité v naší simulaci FDTD) a zavedeme kritérium | φ 0 ( x , y ) + nkr −2 mπ | ≤0, 25 pro určení, který pixel by měl být leptán.

Image

Ukázka holografie povrchových vln. ( a1, b1 ) Vzory, které používáme pro výpočet U 0, což je také to, co chceme obnovit. a1 znázorňuje vzorec „L“ a b1 zobrazuje „O“. V naší FDTD simulaci jsou obdélníkové proužky zdroje s rovnoměrným rozložením pole spojeny dohromady, aby se získalo písmeno „L“ a písmeno „O“. Černé šipky označují polarizaci každého zdroje proužků, tj. X polarizaci. Měřítko šedého čtvercového pozadí je 18 × 18 um 2 pro oba vzory, délky těchto proužků jsou přibližně 6 um a šířka proužků je 0, 4 um pro „L“ a 0, 5 um pro „O“. ( a2, b2 ) SEM obrázky vyrobených vzorků hologramu: a2 ) leptaná struktura pro „L“; ( b2 ) leptanou strukturu pro „O“. Naměřený průměr středové díry je 0, 36 ± 0, 01 um (navržená hodnota je 0, 36 um) a naměřená hloubka drážky je 0, 10 ± 0, 02 um pro oba 'L' a 'O'. Pro a2 je měřená stupnice x oblasti se strukturou 18, 44 ± 0, 04 um a měřítko y je 18, 37 ± 0, 04 um. Pro b2 je měřená stupnice x 18, 34 ± 0, 06 um a měřítko y je 18, 45 ± 0, 05 um, zatímco navržené stupnice pro oba jsou 18 × 18 um. Ve spodní části jsou znázorněny sloupce v měřítku 5 um. ( a3, b3 ) FDTD simulované rozložení pole xy- roviny ve vzdálenosti 10, 64 um nad přední plochy vzorků: a3 pro „L“ a b3 pro „O“. Zde je znázorněna normalizovaná intenzita, přičemž amplitudy složek x a y dopadající kruhové polarizované vlny jsou nastaveny na jednu. Vypočítaný rozsah je zde 18 × 18 µm 2 pro oba vzorky. ( a4, b4 ) Experimentální fotografie na nejjasnějších pozicích: a4 pro „L“ a b4 pro „O“. Vložka a4 je obraz prázdného proužku o rozměrech 6 × 1 µm 2 ve stejném stříbrném filmu, který působí jako pravítko našeho zobrazovacího systému. FDTD, konečná časová doména; SEM, skenovací elektronová mikroskopie.

Obrázek v plné velikosti

Na základě výše uvedených informací vytvoříme náš vzorek hologramu „L“, jehož obrázek SEM je zobrazen na obrázku 2a2 (zvětšený pohled je uveden v doplňujících informacích, část III). Stříbrný film o tloušťce 240 nm se rozpráší na substrát Si02 a drážky a středová díra se vyrobí litografií zaostřeného iontového paprsku. Hloubka těchto drážek je přibližně 0, 10 um, zatímco šířky závisí na jejich polohách (zvětšená fotografie SEM v doplňkové informaci, část III). Typické stupnice pro hloubku i šířku jsou však A / 10, což splňuje požadavek v literatuře 16, že změna fáze je zanedbatelná, když povrchová vlna prochází drážkou. Je zřejmé, že struktura znázorněná na obrázku 2a2 je aperiodická a dokonce ne uzavřená křivka.

Simulujeme strukturu obrázku 2a2 pomocí metody FDTD s následujícími parametry: tloušťka stříbrného filmu je 240 nm, hloubka drážky je 100 nm, poloměr otvoru je 180 nm 18 a permitivita stříbra je převzata z literatury . 17 Zezadu se vstřikuje kruhově polarizovaná vlna a vypočítá se rozložení intenzity pole 10, 64 um nad kovovým čelním povrchem (přesná poloha, kde jsme nastavili zdroje pásů). Jak je znázorněno na obrázku 2a3, lze jasně rozeznat vzorec intenzity tvaru „L“, doprovázený některými nežádoucími vlnkami. Pokud rozdělíme 'L' na dva proužky, '|' a '_', podobné obr. 2a1, jsou délky těchto proužků přibližně 6 um, které jsou konzistentní se zdroji psacích proužků; šířky jsou přibližně 1 um, zatímco šířky pásku pro psaní jsou 0, 4 um. Tato zobrazovací šířka znamená, že minimální rozlišení tohoto zobrazovacího systému je přibližně jedna vlnová délka.

Očekávané výsledky také získáváme experimentálně. Jak je popsáno výše, montujeme zobrazovací objekt do vysoce přesného translačního stupně, abychom sledovali rozložení pole v jakékoli výšce nad čelním povrchem kovové fólie. Když se ohnisková rovina zobrazovacího objektivu pohybuje ze zadní strany na přední stranu, je nejprve detekován jasný obraz díry a poté jasný vzor ve tvaru „L'“ (viz film Movie_L.avi v doplňujících informacích, Oddíl IV) je dodržen. Když vezmeme rovinu, kde je obraz díry nejjasnější jako rovina z = 0 (doplňující informace, oddíl IV), dostaneme nejjasnější obraz „L“ po přesunutí zobrazovacího objektivu 14, 1 ± 0, 7 µm nad rovinu z = 0, což se mírně liší od naší navržené výšky 10, 64 um. K této odchylce mohou přispět dva faktory. První je poměrně velká hloubka obrazu „L“, která se pohybuje od 10 µm do 13 µm, jak je znázorněno na obrázku 3 (podrobnější vysvětlení viz další odstavec). Druhou je konečná ohnisková hloubka (přibližně 1 um nebo jedna vlnová délka) zobrazovacího objektivu, což činí určení roviny z = 0 a zobrazovací roviny nedostatečně přesnou. Vložka na obrázku 2a4 je obraz (6x1) -m leptaného obdélníku ve stejném stříbrném filmu, který lze použít k měření velikosti zobrazovaného „L“. Délka a šířka obou proužků jsou opět přibližně 6, respektive 1 um. Dalším znakem, který je třeba zdůraznit, je tupý roh „L“ (obrázek 2a4), který je v souladu se simulací (obrázek 2a3), ale nikoli s přednastaveným designem, což naznačuje konečné rozlišení holografického systému.

Image

FDTD-simulované rozdělení pole v rovině x = 0 yz : ( a ) pro vzorek „L“ a ( b ) pro vzorek „O“. Modré oblasti poblíž z = 0 označují stříbrné filmy, protože do stříbra může pronikat jen málo světla. Zde je znázorněna normalizovaná intenzita, přičemž amplitudy složek x a y dopadající kruhové polarizované vlny jsou nastaveny na jednu. FDTD, konečná časová doména.

Obrázek v plné velikosti

Pro zajištění trojrozměrného dojmu je na obr. 3a také znázorněn simulovaný obraz v rovině x = 0 yz vzorku hologramu „L“. Je zřejmé, že světlo skrz otvor pod vlnovou délkou je ostře rozptýleno a že povrchové vlny jsou excitovány a rozptýleny, což vede k horkému bodu pole ve tvaru rýže při z ~ 11 um. Toto maximum naznačuje, že 'L' obrazec se objeví mezi z = 10 um a z = 13 um; proto, když je ohnisková rovina zobrazovacího objektivu mezi z = 10 um a z = 13 um, může být v zařízení s nábojem spojeno „L“, což způsobuje odchylku mezi výškou obrazu měřenou v našem experimentu (14.1) µm) a náš návrh (10, 64 µm). Maximum ve tvaru rýže je zde důležitým parametrem našeho systému, konkrétně hloubkou zobrazení, která je přibližně 3 µm. Tato hloubka je velká ve srovnání s zobrazovacím rozlišením 1 um (jak bylo uvedeno výše, obrázek 2a3) a pracovní vzdáleností 10 um. Tato vlastnost s velkou ohniskovou hloubkou je také uvedena v literatuře. 16

Jako další příklad jsou obrázky 2b1–2b4 a 3b protějšky vzoru „O“. Přísně se držíme výše popsaných kroků a pomocí zdroje „O“ k napsání struktury na stříbrném povrchu rekonstruujeme obraz „O“ v simulaci i experimentu. Obecný tvar a měřítko délky obrazu jsou opět v souladu s designem, stále však existují tupé rohy. Simulovaný „O“ se objevuje mezi z = 10 um a z = 13 um a hodnota z pro nejjasnější obraz „O“ v experimentu je 14, 5 ± 1, 2 um. Dosud jsme ukázali, že vlnoplocha infračerveného světla skrz otvor pod vlnovou délkou může být podle potřeby dobře upravena vytvořením vhodného vzoru drážek v kovové fólii.

O našich experimentech zbývají dva zbývající body, které je třeba zdůraznit. Nejprve lze tvrdit, že šířky a hloubky drážek mají vliv na výšku obrázku a způsobují tak odchylku (14, 1 µm proti naší navržené hodnotě 10, 64 µm). Simulace a experimenty však ukazují, že obraz je necitlivý na šířky a hloubky (další podrobnosti viz Doplňující informace, oddíl V). Za druhé, je nutné použít kruhově polarizovaný výskyt. Protože excitace povrchové vlny je polarizačně selektivní, tj. SPP jsou excitovány mnohem efektivněji p-polarizovanými vlnami (s elektrickou složkou dopadajícího pole rovnoběžně s dopadající rovinou), 19 může kruhově polarizovaná incidence zajistit, že SPPs může existovat na celém povrchu, a proto si přečtěte veškerou strukturu povrchu (podrobná diskuse viz část Doplňující informace, oddíl VI).

Jak bylo prokázáno v literatuře, 16 povrchových vln holografie pracuje od oblasti sahající od mikrovlny po viditelné světlo bez výrazných rozdílů v procesech psaní a čtení. Ačkoli povrchová elektromagnetická vlna je závislá na vlnové délce (jak ve svých složkách 20, tak v jejích disperzních vztazích), je třeba vzít v úvahu pouze faktor efektivního indexu lomu povrchové vlny. 16 Podobně jako u běžné holografie mohou být vlnové délky světla pro psaní a čtení odlišné. Například můžeme použít laser 1064 nm k vytvoření vzorku „L“ a laser 1014 nm k rekonstrukci obrazu „L“, ale v poloze, která se liší od konstrukční hodnoty a s jinou stupnicí obrazu . Ve všech těchto frekvencích od mikrovlnného k viditelnému světlu, útlum šíření povrchové vlny (kvůli ztrátě absorpce kovu spíše než ztrátě rozptylu drážek) neomezuje holografický výkon významně. Například délka šíření SPP ve viditelných kmitočtech je 10–100 µm, zatímco SPP s excitací děr, které se pohybují přibližně 9 µm, jsou dostatečné pro zajištění dobré rekonstrukce obrazových vzorců v našem experimentu (s tím, že zde používaná vlnová délka je 1064 nm a že velikost vzorku by byla menší při přechodu na viditelné frekvence). Přesto v ultrafialové oblasti je plazmmonální atenuace velká a je třeba ji v teorii vážně zvážit.

Závěry

Ukázali jsme, že infračervené světlo procházející otvorem s vlnovou délkou na stříbrném filmu o tloušťce 240 nm lze manipulovat do tvaru „L“ a tvaru „O“ vyřezáním příslušných vzorů drážek na odcházejícím povrchu stříbrný film metodou povrchové vlny-holografie. Tyto překvapivé výsledky naznačují, že na rozdíl od běžných očekávání jsou světelné vlny skrz otvor pod vlnovou délkou na tenkém neprůhledném kovovém filmu docela citlivé na povrchové detaily. Metoda povrchové vlny-holografie nám umožňuje dosáhnout komplikovaných transportních funkčností vlnoploch v trojrozměrném prostoru, zejména v, ale ne pouze, ve Fresnelově oblasti, kde se běžné optické prvky chovají špatně, pouze vytvořením dvourozměrných povrchových struktur. . Očekáváme, že tento koncept najde uplatnění nejen v holografii 15 a designu plazmonických struktur 16, ale také při snímání a ukládání informací.

Doplňující informace

Word dokumenty

  1. 1.

    Doplňující informace

Videa

  1. 1.

    Doplňující informace

    film z ukázky L (Movie_L.avi)

  2. 2.

    Doplňující informace

    film z ukázky O (Movie_O.avi)

    Poznámka: Doplňující informace jsou k dispozici na webových stránkách Light: Science & Applications (// www.nature.com/lsa/).