УСТРОЙСТВО ТРАНСПОРТИРОВКИ СФОКУСИРОВАННЫХ ПОВЕРХНОСТНЫХ ПЛАЗМОН-ПОЛЯРИТОНОВ ОПТИЧЕСКОГО ДИАПАЗОНА

Полезная модель относится к области передачи и получения информации посредством поверхностных плазмон-поляритонов (ППП) - разновидности поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ), распространяющихся вдоль границы проводника с диэлектриком и может найти применение при транспортировки излучения, в спектроскопии проводящей поверхности, в схемотехнике, в электронно-оптических устройствах передачи и обработки информации, в инфракрасной (ИК) технике, в устройствах ввода излучения в различные объекты, в биомедицинской диагностике.
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. 108-122). 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).
Известно устройство преобразования ППП, включающее в себя генератор ППП, проводящую металлическую подложку с расположенной на ней диэлектрической микропризмы (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 пучек, но не позволяет сфокусировать его в локальную область пространства при малом расстоянии транспортировки ППП не превышающим несколько длин волн используемого излучения.
Ближайшим аналогом к предлагаемой полезной модели по технической сущности и достигаемой техническому результату является устройство транспортировки и фокусировки ППП, содержащее генератор ППП, проводящую металлическую подложку с расположенной на ней диэлектрической неоднородностью в вакууме и выполненной в виде микрочастицы в форме диска (Ju, D.; Pei, Н.; Jiang, Y.; Sun, X. Controllable and enhanced nanojet effects excited by surface plasmon polariton. Appl. Phys. Lett. V. 102 (2013), 171109).
Такое устройство позволяет сфокусировать падающую на диэлектрический микродиск ППП волну в локализованную область пространства. Длина области фокусировки (локализованной области пространства) составляет несколько длин волн, а поперечный размер области фокусировки имеет субволновое значение.
При этом диэлектрическая частица, расположенная на пути распространения ППП, может иметь достаточно произвольную форму - диск, эллипс, сферо-конус и т.п. Это позволяет контролировать форму области локализации (фокусировки) электромагнитной энергии ППП, но не позволяет увеличить расстояние, на которое распространяется ППП (Abdul Khaleque and Ziyuan Li. Tailoring the Properties of Photonic Nanojets by Changing the Material and Geometry of the Concentrator // Progress In Electromagnetics Research Letters, Vol. 48, 7-13, 2014).
В известных устройствах расстояние, на которое возможна транспортировка ППП принципиально ограничена длиной фотонной наноструи ППП и не превышает нескольких длин волн. Отметим, что фотонная наноструя - это специфическя пространственно локализованная высокоинтенсивной области 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 (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).
Задачей настоящей полезной модели является увеличение расстояния транспортировки поверхностных плазмон-поляритонов при сохранении их субволновой фокусировке.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является расширение функциональности применения устройства транспортировки и фокусировки поверхностных плазмон-поляритонов за счет увеличение расстояния транспортировки поверхностных плазмон-поляритонов при сохранении их субволновой фокусировке.
0
0
0
0
Указанный технический результат достигается за счет того, что в устройстве транспортировки поверхностных плазмон-поляритонов, включающем генератор поверхностных плазмон-поляритонов, проводящую металлическую подложку с расположенной на ней диэлектрической неоднородностью, новым является то, что 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 λ, высотой изменяющейся в диапазоне (0.05-0.155)λ, где λ длина волны излучения в вакууме, при этом микрочастицы последовательно располагаются одна за другой по направлению распространения поверхностной плазмон-поляритона на расстоянии порядка 2.5 λ.
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.
0
0
0
Выполнение диэлектрических микрочастиц в форме прямоугольных параллелепипедов с коэффициентом преломления изменяющегося в диапазоне 1.6-2.2, с толщиной равной λ, высотой изменяющейся в диапазоне (0.05-0.155)λ, где λ длина волны излучения в вакууме, позволяет каждой отдельной частицей формировать фотонную нанострую с поперечным размером области фокусировки со субволновым значением. 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. Ширина параллелепипеда определяется шириной падающего пучка ППП волн.
При уменьшении коэффициента преломления материала микрочастицы менее указанного диапазона происходит увеличение поперечного размера фотонной наноструи до уровня равного или превышающего дифракционный предел. При увеличении величины коэффициента преломления материала микрочастицы более указанного диапазона происходит формирование фотонной наноструи внутри микрочастицы.
0
0
0
Выполнение микрочастиц в форме прямоугольных параллелепипедов с толщиной равной λ, высотой изменяющейся в диапазоне (0.05-0.155)λ, где λ длина волны излучения в вакууме и указанным коэффициентом преломления обеспечивает формирования фотонных наноструй максимальной протяженности и сохранения субволновой фокусировки. При уменьшении высоты диэлектрической частицы в форме прямоугольного параллелепипеда менее указанного происходит уменьшение интенсивности фотонной наноструи, а при ее увеличении происходит увеличение габаритов устройства при незначительном увеличении интенсивности фотонной наноструи.
0
Экспериментально установлено, что оптимальное расстояние между микрочастицами, при котором поверхностный плазмон-поляритон распространяется на максимальное расстояние равно порядка 2.5 λ.
0
y
0
0
y
0
На фиг. 1 изображена блок схема устройства. На фиг. 2 приведены результаты математического моделирования интенсивонсти электрического поля вдоль направления распространения ППП в оптимальном случае, когда расстояние между микрочастицами равно р=2.5λ и высота микрочастицы равна d=0.077λ, в случае без микрочастиц и кривая соответствующая затуханию ППП в 1/е раз. На фиг. 3 приведено зависимость ширины фотонной наноструи, определенной на ее полувысоте (FWHMx) в зависимости от числа микрочастиц формирующих фотонные наноструи, для случая: р=2.5λ и d=0.077λ.
Устройство содержит: 1 генератор ППП, 2 диэлектрическая микрочастица, 3 проводящая подложка, 4 поверхностная волна.
В качестве генератора ППП 1 может служить устройство, например, использующее туннелирование фотона в схеме нарушенного полного внутреннего отражения, либо путем дифракции волны на препятствии (Kretschmann Е. Die Bestimmung op-tischer Konstanten von Metallen durch An-regung von  // Z. Physik. 1971. Vol. 241. P. 313-324; 35. O′Hara J.F., Averitt R.D. Prism cou-pling to terahertz surface plasmon polaritons // Opt. Express. 2005. Vol. 16. P. 6117-6126; Nenninger G.G., Piliarik M., Ho-mola J. Data analysis for optical sensors based on spectroscopy of surface plasmons // Meas. Sci. Technol. 2002. Vol. 13. No. 12. P. 2038-2046.) и применяемые в видимом диапазоне длин волн.
3
4
0
0
Устройство транспортировки сфокусированных поверхностных плазмон-поляритонов оптического диапазона, состоит генератора ППП 1 и из периодически расположенных 3D диэлектрических микрочастиц 2, расположенных на верхней части металлической пленки 3, например, выполненной из золота. Генератор ППП 1 возбуждает поверхностную волну 4, которая распространяется вдоль внешней поверхности металлической пленки 3. Диэлектрические микрочастицы 2 могут быть выполнены из нитрида кремния (SiN) с коэффициентом преломления равного 1.97 на длине волны λ=1550 нм. Диэлектричекие микрочастиц 2 выполнены в форме прямоугольного параллелепипеда с высотой от 80 нм до 240 нм, при промежутке между частицами 2.5 λ.
0
Излучение ППП падает на первую, по ходу его распространения диэлектрическую микрочастицу 1, которая, в результате рассеяния и дифракции на ней формирует на выходе фотонную нанострую с протяженностью (2-4) λ, при ее субволновой фокусировке. Затем излучения фотонной наноструи падает на последующую микрочастицу 2 которая также формирует свою фотонную нанострую. И далее процесс повторяется.
0
0
В результате проведенных экспериментов, было установлено, что лучшие рабочие характеристики с точки зрения распространения на максимальное расстояния ППП достигается тогда, когда высота микрочастицы составляет 120 нм, и разрыв между ними 2.5 λ, фиг. 2. В этом случае распространение ППП может быть продлено до величины 10 λ и более по сравнению со случаем без микрочастиц.
Кроме того, обнаружено, что субволновая фокусировка излучения на всех диэлектрических микрочастицах 1, выполненных в виде прямоугольных параллелепипедов, сохраняется, фиг. 3.
Таким образом, заявляемое устройство транспортировки сфокусированных поверхностных плазмон-поляритонов оптического диапазона позволяет не менее, чем в 2 раза увеличить расстояние транспортировки ППП, при сохранении субволновой фокусировки излучения на всех диэлектрических микрочастицах.