Light transmission through holes in the deep subdiffractional regime using topological structures
Authors: Μπασκουρέλος Κωνσταντίνος 
Published: December 2023

Το θέμα της παρούσας εργασίας είναι μια καινοτόμα τεχνική για τη μετάδοση και εστίαση ενέργειας στη μικρο- και νανοκλίμακα, ειδικότερα για τη μετάδοση φωτός διαμέσου οπών ή σχισμών στο βαθύ υποπεριθλαστικό καθεστώς (δηλ. σημαντικά μικρότερων του μήκους κύματος λειτουργίας). Αυτή η τεχνική έχει πολλά σημαντικά πλεονεκτήματα έναντι των συμβατικών τεχνικών για τον ίδιο σκοπό, και θα μπορούσε να επηρεάσει θετικά την ανάπτυξη του ευρύτερου κλάδου των νανοφωτονικών εφαρμογών. Η μετάδοση και εστίαση φωτός στη μικρο- και νανοκλίμακα είναι στον κορμό πολλών σύγχρονων εφαρμογών: οπτική εγγραφή/αποθήκευση δεδομένων, θερμικά υποβοηθούμενη μαγνητική εγγραφή (HAMR), νανοεικονοσκόπηση, φασματοσκοπία, αισθητήρες, οπτική ή θερμική νανοσκοπία κοντινού πεδίου, λιθογραφία με πρόμπες θερμικής ανίχνευσης, θερμομετρία νανοκλίμακας, και άλλες όπως αυτές. Σε όλες αυτές τις εφαρμογές, υπάρχει η απαίτηση να εστιαστεί με υψηλή απόδοση ισχύς ∼100 μW σε μια περιοχή ∼10 nm (ή μικρότερη) μιας επίπεδης επιφάνειας. Αυτή είναι μια ένταση φωτός εξαιρετικά υψηλή, πολλές τάξεις μεγέθους μεγαλύτερη από τη φωτεινή ένταση που συναντάται στα καθημερινά φυσικά φαινόμενα (π.χ., την ένταση του ηλιακού φωτός στην επιφάνεια της γης, ή τη φωτεινή ένταση που επιτυγχάνεται με έναν οπτικό φακό). Η Οπτική θέτει ένα κατώφλι στο φως που μπορεί να μεταδοθεί και να εστιαστεί από μια οπή δοθείσης διαμέτρου (σχέση του Bethe). Αυτό το κατώφλι καθιστά τις προαναφερθείσες εφαρμογές πολύ δύσκολο να πραγματοποιηθούν. Η καθιερωμένη τεχνολογία για την εστίαση του φωτός στη νανονκλίμακα είναι οι κωνικές οπτικές ίνες με επικάλυψη χρυσού, ευρέως χρησιμοποιούμενες στα Οπτικά Μικροσκόπια Ανίχνευσης Κοντινού Πεδίου NSOMs). Η απόδοση της οπτικής μετάδοσης του άκρου μιας NSOM πρόμπας είναι τυπικά μεταξύ 10^−5 - 10^−4 (ή μικρότερη). Η προκείμενη προταθείσα τεχνική, καλούμενη APOTUS-HM (APOTUS: Almost Perfect Optical Transmission Through Unstructured Single holes; HM: Hole Method), είναι ένας τρόπος να ξεπεραστεί το κατώφλι που τίθεται από τη σχέση του Bethe. Η APOTUS-HM παρέχει έναν συντελεστή μετάδοσης πολύ μεγαλύτερο από τις καθιερωμένες τεχνικές, ο οποίος ιδεατά προσεγγίζει τη μονάδα. Ταυτόχρονα, η βασική της ιδέα είναι απλή και αρκετά εύκολο να υλοποιηθεί στην πράξη. Η APOTUS-HM θεμελιώνεται σε τρεις βασικούς πυλώνες: (i) μονοκατευθυντικότητα στη διάδοση, (ii) προστασία από τη διασπορά, και (iii) εξαιρετική οπτική μετάδοση (EOT). Η βασική αρχή της APOTUS-HM είναι ως ακολούθως. Χρησιμοποιοώντας ειδικά υλικά επιβάλλεται σε ένα κύμα να διαδοθεί σε έναν κυματοδηγό μόνον έμπροσθεν, μονοκατευθυντικά. Στο τέλος του κυματοδηγού υπάρχει μια οπή με την κατάλληλη διάμετρο για την εστίαση. Όταν το κύμα φτάσει στο πέρας του κυματοδηγού, καθώς δεν μπορεί να κινηθεί προς τα πίσω, εξαναγκάζεται να διέλθει από την οπή, ανεξάρτητα από το πόσο μικρή είναι, και άρα να εστιαστεί μπροστά της. Παρά την απλότητα της παραπάνω ιδέας, για να υλοποιηθεί επιτυχώς μια συσκευή APOTUS-HM υπάρχουν πολλά λεπτά θεωρητικά θέματα που πρέπει να μελετηθούν και να κατανοηθούν. Στην προκείμενη εργασία επιχειρείται να παρουσιαστεί πώς να εφαρμοστούν αποτελεσματικά τα τρία θεμέλια που αναφέρθηκαν παραπάνω και η βασική θεωρία πίσω από αυτά, δίνοντας με αυτόν τον τρόπο ένα υπόβαθρο για την καλύτερη κατανόηση και περαιτέρω βελτίωση της τεχνικής, και βέβαια δίνονται λεπτομέρειες αριθμητικών προσομοιώσεων βασικών συσκευών (μοντέλων) APOTUS-HM. Η μονοκατευθυντικότητα και η προστασία της διάδοσης από διασπορά επιτυγχάνεται χρησιμοποιώντας οπτικά-τοπολογικά υλικά, των οποίων η θεωρία επίσης μελετάται ως ένα βαθμό στην εργασία.