Устройство для отклонения пучка поверхностных плазмон-поляритонов Российский патент 2021 года по МПК G02B27/00 

Изобретение относится к области передачи и получения информации посредством поверхностных плазмон-поляритонов (ППП) - разновидности поверхностных электромагнитных волн, и может найти применение в спектроскопии проводящей поверхности, в электронно-оптических устройствах передачи и обработки информации, в инфракрасной (ИК) технике, плазмонной интегральной оптике при конструировании интегральных схем и сенсоров различного назначения на основе плазмонных волноводов.

В настоящее время плазмонная интегральная оптика является быстро развивающейся областью прикладных исследований. Одним из основных элементов плазмонной интегральной оптики являются плазмонные волноводы.

Поверхностные электромагнитные волны (ПЭВ) впервые были описаны А. Зоммерфельдом в 1899 г. (Sommerfeld A. Fortpflanzung elektrodynamoscher Wellen an einemen zylindrischen Leiter // Ann. Der Physik und Chem. 1899. Vol. 67. P. 233-290). ПЭВ представляют собой неразрывное целое с поверхностным плазмоном - колебаниями свободных электронов вблизи поверхности проводника. Такую самосогласованную комбинацию электромагнитной волны и перемещающихся зарядов в оптике называют поверхностным плазмон-поляритоном (ППП) (Б.А. Князев, А.В. Кузьмин. Поверхностные электромагнитные волны: от видимого диапазона до микроволн // Вестник НГУ. Серия: Физика. 2007. Т. 2. Вып. 1. С. 108122). ППП представляют собой направленное электромагнитное излучение, локализованное вблизи поверхности раздела двух сред и распространяющееся вдоль этой поверхности. Его интенсивность быстро спадает в направлении, перпендикулярном поверхности раздела.

Уменьшение размеров оптических компонентов сталкивается с проблемой преодоления дифракционного предела. Для его преодоления необходимо, например, перейти к гораздо меньшим длинам волн. Реальными кандидатами являются поверхностные плазмоны. Поле данных волн сосредоточено вблизи границы раздела сред, а соответствующие им длины гораздо меньше длины волны света в вакууме той же частоты (Zayats A.V., Smolyaninov I.I., Maradudin А.А. Nano-optics of surface plasmon polaritons // Phys. Rep. - 2005. - Vol. 408. - Pp. 131-314; Pitarke J.M., Silkin V.M., Chulkov E.V., Echenique P.M. Theory of surface plasmons and surface-plasmon polaritons // Rep. Prog. Phys. - 2007. - Vol. 70. - Pp. 1-87; Wang, Q., Tang, Q., Zhang, D., Wang, Z., Huang, Y. and Ni, Z. (2015) ′Study on the excitation and propagation characteristics of THz-wave surface plasmon polaritons on the surface of semiconductor′, Int. J. Nanotechnol., Vol. 12, Nos. 10/11/12, pp. 838-848).

В устройствах (спектрометрах, рефрактометрах, датчиках), в которых в качестве носителя информации используют ППП, важной проблемой является расстояние, на которое распространяются поверхностные плазмон-поляритоны.

Однако известно, что ППП обладают слишком большим затуханием. Кроме того, известно, что наличие на поверхности металла царапин и других неоднородностей, а так же чистота поверхности, может существенно уменьшить эту величину, например, при распространении ППП на границе металл-вакуум (Б.А. Князев, А.В. Кузьмин. Поверхностные электромагнитные волны: от видимого диапазона до микроволн // Вестник НГУ. Серия: Физика. 2007. Т. 2. Вып. 1. С. 120; Andrei Kolomenski, Alexandre Kolomenskii, John Noel, Siying Peng, and Hans Schuessler. Propagation length of surface plasmons in a metal film with roughness // Applied Optics, Vol. 48, Issue 30, pp. 5683-5691 (2009); doi: 10.1364/AO.48.005683).

В устройствах (спектрометрах, рефрактометрах, датчиках), в которых в качестве носителя информации используют ППП, важной проблемой является отклонение пучка ППП от исходного направления распространения на тот или иной угол с целью либо отделения пучка от паразитных объемных волн (Gerasimov V.V., Knyazev B.A., Nikitin A.K., Nikitin V.V. Method for identifying diffraction satellites of surface plasmons in terahertz frequency range // Technical Physics Letters, 2010, V.36, No.11, p.1016-1019), либо для сбивания измерительного пучка с опорным в плазменных интерферометрах и датчиках (Жижин Г.Н., Кирьянов А.П., Никитин A.K., Хитров О.В. Дисперсионная Фурье-спектроскопия поверхностных плазмонов инфракрасного диапазона // Оптика и спектроскопия, 2012, Т.112, №4, с.597-602), либо для определения показателя преломления ППП (Богомолов Г.Д., Жижин Г.Н., Кирьянов А.П., Никитин A.K., Хитров О.В. Определение показателя преломления поверхностных плазмонов ИК-диапазона методом статической асимметричной интерферометрии // Известия РАН, Серия физическая, 2009, Т.73, №4, с. 562-565) и т.д.

Известно устройство преобразования ППП, включающее в себя генератор ППП, проводящую металлическую подложку с расположенной на ней диэлектрической микропризмой (Stefan Griesing, Andreas Englisch, and Uwe Hartmann. Refractive and reflective behavior of polymer prisms used for surface plasmon guidance // Optics Letters, Vol. 33, Issue 6, pp. 575-577 (2008) doi: 10.1364/OL.33.000575). Такое устройство позволяет отклонять ППП пучок, но не позволяет сфокусировать его в локальную область пространства при малом расстоянии транспортировки ППП не превышающим несколько длин волн используемого излучения.

Известны геодезические линзы для отклонения поверхностных плазмон-поляритонов в виде геодезических призм (Bogomolov G.D., Zhizhin G.N., Nikitin A.K., Knyazev B.A. Geodesic elements to control terahertz surface plasmons // Nuclear Instruments and Methods in Phys. Research (A), 2009,V.603,No.1/2, p.52-55).

Известно устройство по патенту РФ 2352969 для отклонения пучка монохроматических ТГц ППП, состоящее из геодезической призмы, выполненной на плоской поверхности образца, направляющей ППП, в виде имеющей сглаженные края и пересекающей пучок правильной конусной канавки, ось которой лежит в плоскости поверхности образца и перпендикулярна направлению распространения ППП, а размер канавки в направлении распространения пучка меньше длины распространения ППП.

Основными недостатками известного устройства являются его низкая эффективность, большие габариты, невозможность сфокусировать пучок ППП в локальную область пространства при малом расстоянии транспортировки ППП не превышающим несколько длин волн используемого излучения. Недостатки обусловлены необходимостью принадлежности оси призмы поверхности образца для обеспечения неизменности линейной формы волнового фронта пучка ППП после прохождения им призмы. При этом глубина канавки достигает макроскопических размеров (сантиметров), что и приводит к большим габаритам устройства.

Известно устройство по патенту РФ 2547164, состоящее из геодезической призмы для отклонения пучка монохроматических поверхностных плазмон-поляритонов (ППП) терагерцового диапазона, выполненной на плоской поверхности образца, направляющей ППП, в виде имеющей сглаженные края и пересекающей пучок правильной конусной канавки, ось которой параллельна поверхности образца и перпендикулярна направлению распространения ППП, а размер канавки в направлении пучка меньше длины распространения ППП, имеет ось, проходящую над поверхностью образца, причем края канавки совпадают с прямолинейными частями линии пересечения поверхности образца и поверхности конуса канавки.

Недостатками устройства являются его низкая эффективность, большие габариты, оно предназначено для работы с поверхностными плазмон-поляритонами имеющими линейный волновой фронт, не обеспечивает возможность сфокусировать пучок ППП в локальную область пространства при малом расстоянии транспортировки ППП не превышающим несколько длин волн используемого излучения.

Возможность субволновой фокусировки излучения в криволинейную область в форме фотонного крюка рассмотрена в патенте РФ 161207. Фокусирующее устройство выполнено в виде диэлектрической частицы из материала, обеспечивающего оптический контраст по отношению к окружающей среде равный 1,2-1,75 и имеющей форму кубоида, одно ребро которого совмещено с одной боковой гранью прямой треугольной призмы, выполненной из того же материала и с размером ребра совпадающего с величиной ребра кубоида, равного (0,9-1,3)Nλ, где N - целое число, λ - длина волны используемого излучения в среде, при этом излучение падает на гипотенузу призмы.

Недостатком устройства является то, что оно не предназначено для отклонения пучка ППП, а так же сложность и большие габариты.

Упростить и уменьшить продольные габариты устройства субволновой фокусировки излучения в криволинейную область в форме фотонного крюка возможно в устройстве по патенту РФ 195603. Новым является то, что фокусирующее устройство выполнено в форме кубоида состоящего из двух частей в форме правильных треугольных призм сопряженных по диагонали и выполненных из материалов с различными показателями преломления, с оптическим контрастом по отношению к окружающей среде первой правильной треугольной призмы на боковую поверхность которой падает излучение равным примерно 1,4-1,75 и показателем преломления материала второй правильной треугольной призмы меньше показателя преломления материала первой правильной треугольной призмы в 0,8-1,2 раз.

Недостатком устройства является то, что оно не предназначено для отклонения пучка монохроматических ТГц ППП.

Ближайшим аналогом к предлагаемому изобретению выбрано устройство по патенту РФ 166250, состоящее из генератора поверхностных плазмон-поляритонов, проводящей металлической подложки с расположенной на ней диэлектрической неоднородностью, при этом диэлектрическая неоднородность выполняется в виде периодически последовательно расположенных микрочастиц в форме прямоугольных параллелепипедов с коэффициентом преломления изменяющегося в диапазоне 1,6-2,2, с толщиной равной λ₀, высотой изменяющейся в диапазоне (0,05-0,155)λ₀, где λ₀ длина волны излучения в вакууме, при этом микрочастицы последовательно располагаются одна за другой по направлению распространения поверхностной плазмон-поляритона на расстоянии порядка 2,5 λ₀.

Достоинством устройства является увеличенное расстояние транспортировки поверхностных плазмон-поляритонов при сохранении их субволновой фокусировки.

Выполнение диэлектрической неоднородности, расположенной на проводящей подложке в виде периодически последовательно расположенных микрочастиц в форме прямоугольных параллелепипедов, позволяет реализовать своеобразный квазиоптический волновод для поверхностного плазмон-поляритона, что обеспечивает транспортировку поверхностного плазмон-поляритона на большие расстояния.

Выполнение диэлектрических микрочастиц в форме прямоугольных параллелепипедов с коэффициентом преломления изменяющегося в диапазоне 1,6-2,2, с толщиной равной λ₀, высотой изменяющейся в диапазоне (0,05-0,155)λ₀, где λ₀ длина волны излучения в вакууме, позволяет каждой отдельной частицей формировать фотонную нанострую с поперечным размером области фокусировки со субволновым значением. Отметим, что фотонная наноструя - это специфическая пространственно локализованная высокоинтенсивная область ближнего поля рассеяния оптической волны на диэлектрической микрочастице. Фотонная наноструя имеет субдифракционный поперечный размер и протяженность на расстоянии, составляющем несколько длин волн излучения в среде, формируется непосредственно на теневой поверхности частицы (Минин И.В., Минин О.В. Фотоника изолированных диэлектрических частиц произвольной трехмерной формы - новое направление оптических информационных технологий // Вестн. Новосиб. гос. ун-та. Серия: Информационные технологии. 2014. Т. 12, вып. 4. С. 59-70; Boris S. Luk’yanchuk, Ramón Paniagua-Domínguez, Igor Minin, Oleg Minin, and Zengbo Wang Refractive index less than two: photonic nanojets yesterday, today and tomorrow // Optical Materials Express Vol. 7, Issue 6, pp. 1820-1847 (2017); Alexander Heifetz, Soon-Cheol Kong, Alan V. Sahakian, Allen Taflove and Vadim Backman. Photonic Nanojets // Journal of Computational and Theoretical Nanoscience Vol. 6, 1979–1992, 2009). Локализация электромагнитного поля позволяет увеличить расстояние, на которое распространяются поверхностные плазмон-поляритоны, за счет уменьшения затухания ППП при наличии на поверхности металла царапин и других неоднородностей, а также влияния чистоты поверхности.

Недостатком устройства является невозможность отклонения пучка ППП.

Задачей изобретения является разработка устройства для отклонения пучка поверхностных плазмон-поляритонов при сохранении их субволновой фокусировки.

Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является повышение эффективности устройства, а также уменьшение его габаритов при сохранении их субволновой фокусировки.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в устройстве для отклонения пучка поверхностных плазмон-поляритонов, включающем генератор поверхностных плазмон-поляритонов, проводящую металлическую подложку с расположенной на ней диэлектрической неоднородностью в виде периодически последовательно расположенных микрочастиц с коэффициентом преломления, изменяющимся в диапазоне 1,6-2,2, с толщиной, равной λ₀, высотой, изменяющейся в диапазоне (0,05-0,155)λ₀, где λ₀ - длина волны излучения в вакууме и микрочастицы последовательно располагаются одна за другой по направлению распространения поверхностных плазмон-поляритонов на расстоянии порядка 2,5λ₀, новым является то, что при этом микрочастицы формируют непосредственно на своей теневой стороне «фотонный крюк» или последовательно расположенные микрочастицы формирующие непосредственно на своей теневой стороне «фотонный крюк» и «фотонную струю» чередуются друг за другом.

При этом, микрочастица, формирующая «фотонный крюк», выполнена в форме кубоида, одно ребро которого совмещено с одной боковой гранью прямой треугольной призмы, выполненной из того же материала и с размером ребра совпадающего с величиной ребра кубоида, равного (0,9-1,3)Nλ, где N целое число, λ длина волны используемого излучения в среде, при этом излучение падает на гипотенузу призмы.

При этом, микрочастица формирующая «фотонный крюк» выполнена в форме правильных треугольных призм сопряженных по диагонали и выполненных из материалов с различными показателями преломления, с оптическим контрастом по отношению к окружающей среде первой правильной треугольной призмы на боковую поверхность которой падает излучение равным примерно 1,4-1,75 и показателем преломления материала второй правильной треугольной призмы меньше показателя преломления материала первой правильной треугольной призмы в 0,8-1,2 раза.

При этом, микрочастица, формирующая «фотонный крюк», выполнена в форме диэлектрического цилиндра при его ассиметричном освещении узким пучком излучения.

При этом, все микрочастицы вдоль по направлению распространения поверхностных плазмон-поляритонов имеют одинаковый размер.

При этом, все микрочастицы вдоль по направлению распространения поверхностных плазмон-поляритонов имеют различный размер.

Повышение эффективности устройства достигается за счет субволновой фокусировки мезоразмерной диэлектрической частицы, формирующей фотонный крюк. Локализация электромагнитного поля позволяет увеличить расстояние, на которое распространяются поверхностные плазмон-поляритоны, за счет уменьшения затухания ППП при наличии на поверхности металла царапин и других неоднородностей, а так же влияния чистоты поверхности.

Уменьшение габаритов устройства достигается за счет применения мезоразмерных диэлектрических устройств и отклонение ППП на расстоянии менее длины волны излучения.

Диэлектрическая микрочастица, формирующая «фотонный крюк» может быть выполнена в форме кубоида, одно ребро которого совмещено с одной боковой гранью прямой треугольной призмы, выполненной из того же материала и с размером ребра совпадающего с величиной ребра кубоида, равного (0,9-1,3)Nλ, где N - целое число, λ - длина волны используемого излучения в среде, при этом излучение падает на гипотенузу призмы или в форме правильных треугольных призм сопряженных по диагонали и выполненных из материалов с различными показателями преломления, или выполнена в форме диэлектрического цилиндра при его ассиметричном освещении узким пучком излучения (Igor V. Minin, Oleg V. Minin, Dmitry S. Ponomarev, Igor A. Glinskiy, Dmitry I. Yakubovsky, Valentin. S. Volkov. First experimental observation of plasmonic photonic jet based on dielectric cube // arXiv:1912.13373 [physics.optics]; Igor V. Minin, Oleg V. Minin, Cheng-Yang Liu, Hao-De Wei, Alina Karabchevsky. Simulation and experimental observation of tunable photonic nanojet and photonic hook upon asymmetric illumination of a mesoscale cylinder with mask // arXiv:2004.05911 [physics.optics]; Igor V. Minin, Oleg V. Minin, Igor A. Glinskiy, Rustam A. Khabibullin, Radu Malureanu, Dmitry I. Yakubovsky, Valentyn S. Volkov, Dmitry S. Ponomarev. Experimental verification of a plasmonic hook in a dielectric Janus particle // arXiv:2004.10749 [physics.optics]; Yury E. Geints, Igor V. Minin, Oleg V. Minin. Tailoring "photonic hook" from Janus dielectric microbar // arXiv:2004.10947 [physics.optics]).

На Фиг.1-2 приведена схема заявляемого устройства, где использованы следующие обозначения: 1 - излучение поверхностных плазмон-поляритонов; 2 - диэлектрическая микрочастица, формирующая «фотонный крюк»; 3 - криволинейная область фокусировки в форме фотонного крюка; 4 - подложка; 5 - диэлектрическая микрочастица, формирующая фотонную струю; 6 - фотонная струя.

Заявляемое устройство работает следующим образом. Генератор поверхностных плазмон-поляритонов формирует плазмон-поляритоновое излучение 1. Излучение поверхностных плазмон-поляритонов 1 распространяется вдоль поверхности подложки 4 и освещают диэлектрическую микрочастицу 2. На теневой поверхности частицы в результате дифракции и интерференции ППП формируется криволинейная область фокусировки в форме фотонного крюка 3, имеющего субволновые поперечные размеры. На расстоянии примерно равном 2,5λ₀ от первой микрочастицы по направлению распространения излучения расположена следующая диэлектрическая микрочастица 2 и процесс повторяется. Таким образом, осуществляется отклонение пучка поворот поверхностных плазмон-поляритонов 1.

В другом варианте генератор поверхностных плазмон-поляритонов формирует плазмон-поляритоновое излучение 1. Излучение поверхностных плазмон-поляритонов 1 распространяется вдоль поверхности подложки 4 и освещают диэлектрическую микрочастицу 2. На теневой поверхности частицы в результате дифракции и интерференции ППП формируется криволинейная область фокусировки в форме фотонного крюка 3, имеющего субволновые поперечные размеры. На расстоянии примерно равном 2,5λ₀ от первой микрочастицы по направлению распространения излучения расположена следующая диэлектрическая микрочастица 5, формирующая на своей теневой стороне фотонную струю 6, которая освещает диэлектрическую частицу 2 и процесс повторяется. Использование диэлектрической микрочастицы 5, формирующей на своей теневой стороне фотонную струю 6 позволяет увеличить протяженность своеобразного криволинейного волновода и таким образом, осуществляется отклонение пучка поверхностных плазмон-поляритонов 1 на больший угол.

Микрочастица формирующая «фотонный крюк» может быть выполнена, например, в форме кубоида, одно ребро которого совмещено с одной боковой гранью прямой треугольной призмы, выполненной из того же материала и с размером ребра совпадающего с величиной ребра кубоида, равного (0,9-1,3)Nλ, где N целое число, λ длина волны используемого излучения в среде, при этом излучение падает на гипотенузу призмы или в форме правильных треугольных призм сопряженных по диагонали и выполненных из материалов с различными показателями преломления, с оптическим контрастом по отношению к окружающей среде первой правильной треугольной призмы на боковую поверхность которой падает излучение равным примерно 1,4-1,75 и показателем преломления материала второй правильной треугольной призмы меньше показателя преломления материала первой правильной треугольной призмы в 0,8-1,2 раза, или в форме диэлектрического цилиндра при его ассиметричном освещении узким пучком излучения.

Использование диэлектрических микрочастиц одинаковых или различных размеров позволяет обеспечить более полное освещение поверхности частиц и тем самым осуществить отклонение пучка поворот поверхностных плазмон-поляритонов на больший угол.

Использование: для отклонения пучка поверхностных плазмон-поляритонов. Сущность изобретения заключается в том, что устройство для отклонения пучка поверхностных плазмон-поляритонов включает генератор поверхностных плазмон-поляритонов, проводящую металлическую подложку с расположенной на ней диэлектрической неоднородностью в виде периодически последовательно расположенных микрочастиц с коэффициентом преломления, изменяющимся в диапазоне 1.6-2.2, с толщиной, равной λ₀, высотой, изменяющейся в диапазоне (0.05-0.155)λ₀, где λ₀- длина волны излучения в вакууме и микрочастицы последовательно располагаются одна за другой по направлению распространения поверхностных плазмон-поляритонов на расстоянии порядка 2.5λ₀, отличается тем, что при этом микрочастицы формируют непосредственно на своей теневой стороне «фотонный крюк» или последовательно расположенные микрочастицы, формирующие непосредственно на своей теневой стороне «фотонный крюк» и «фотонную струю», чередуются друг за другом. Технический результат: обеспечение возможности отклонения пучка поверхностных плазмон-поляритонов при сохранении их субволновой фокусировки, а также уменьшение габаритов устройства. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для отклонения пучка поверхностных плазмон-поляритонов, включающее генератор поверхностных плазмон-поляритонов, проводящую металлическую подложку с расположенной на ней диэлектрической неоднородностью в виде периодически последовательно расположенных микрочастиц с коэффициентом преломления, изменяющимся в диапазоне 1.6-2.2, с толщиной, равной λ₀, высотой, изменяющейся в диапазоне (0.05-0.155)λ₀, где λ₀ - длина волны излучения в вакууме, и микрочастицы последовательно располагаются одна за другой по направлению распространения поверхностных плазмон-поляритонов на расстоянии порядка 2.5λ₀, отличающееся тем, что при этом микрочастицы формируют непосредственно на своей теневой стороне «фотонный крюк» или последовательно расположенные микрочастицы, формирующие непосредственно на своей теневой стороне «фотонный крюк» и «фотонную струю», чередуются друг за другом.

2. Устройство для отклонения пучка поверхностных плазмон-поляритонов по п.1, отличающееся тем, что микрочастица, формирующая «фотонный крюк», выполнена в форме кубоида, одно ребро которого совмещено с одной боковой гранью прямой треугольной призмы, выполненной из того же материала и с размером ребра, совпадающим с величиной ребра кубоида, равного (0.9-1.3)Nλ, где N целое число, λ - длина волны используемого излучения в среде, при этом излучение падает на гипотенузу призмы.

3. Устройство для отклонения пучка поверхностных плазмон-поляритонов по п.1, отличающееся тем, что микрочастица, формирующая «фотонный крюк», выполнена в форме правильных треугольных призм, сопряженных по диагонали и выполненных из материалов с различными показателями преломления, с оптическим контрастом по отношению к окружающей среде первой правильной треугольной призмы, на боковую поверхность которой падает излучение равным примерно 1.4-1.75, и показателем преломления материала второй правильной треугольной призмы меньше показателя преломления материала первой правильной треугольной призмы в 0.8-1.2 раза.

4. Устройство для отклонения пучка поверхностных плазмон-поляритонов по п.1, отличающееся тем, что микрочастица, формирующая «фотонный крюк», выполнена в форме диэлектрического цилиндра при его асимметричном освещении узким пучком излучения.

5. Устройство для отклонения пучка поверхностных плазмон-поляритонов по п.1, отличающееся тем, что все микрочастицы вдоль по направлению распространения поверхностных плазмон-поляритонов имеют одинаковый размер.

6. Устройство для отклонения пучка поверхностных плазмон-поляритонов по п.1, отличающееся тем, что все микрочастицы вдоль по направлению распространения поверхностных плазмон-поляритонов имеют различный размер.