Том 36, номер 09, статья № 1

Аннотация:

Представлены результаты численного моделирования фокусировки оптического излучения «метачастицей», представляющей собой кластер одинаковых наносфер, плотно упакованных в шаровой объем определенного радиуса. Проведены расчеты параметров фокальной области (интенсивность, продольный и поперечный размеры), формируемой метачастицами с различным внутренним наполнением. Показано, что в некоторых случаях реализация шаровой кластерной сборки наночастиц позволяет свести задачу фокусировки излучения метачастицей к задаче дифракции световой волны на однородной сфере с эффективным показателем преломления. Установлено, что определенные топологии микросборок позволяют улучшить фокусировку оптической волны в области ближнего поля, в частности повысить пиковую интенсивность или усилить ее пространственную локализацию.
 

Ключевые слова:

шаровой кластер частиц, плотная упаковка, фотонная наноструя, эффективная среда, FDTD-метод

Иллюстрации:

Список литературы:

1. Chen Z., Taflove A., Backman V. Photonic nanojet enhancement of backscattering of light by nanoparticles: A potential novel visible-light ultramicroscopy technique // Opt. Express. 2004. V. 12, N 7. Р. 1214–1220.
2. Devilez A., Bonod N., Stout B., Gerard D., Wenger J., Rigneault H., Popov E. Three-dimensional subwavelength confinement of light with dielectric microspheres // Opt. Express. 2009. V. 17. P. 2089–2094.
3. Geints Y.E., Panina E.K., Zemlyanov A.A. Control over parameters of photonic nanojets of dielectric microspheres // Opt. Commun. 2010. V. 283. P. 4775–4781.
4. Maděránková D., Provazník I., Klepárník K. Numerical modeling of photonic nanojet behind dielectric microcylinder // World Congress on Medical Physics and Biomedical Engineering September 7–12, 2009. / O. Dössel, W.C. Schlegel (ed.). Munich: Springer, 2009. Р. 1135–1138. DOI: 10.1007/978-3-642-03882-2_302.
5. Geints Yu.E., Panina E.K., Zemlyanov A.A. Microaxicon-generated photonic nanojets // J. Opt. Soc. Am. B. 2015. V. 32, N 8. P. 1570–1574.
6. McCloskey D., Wang J.J., Donegan J.F. Low divergence 354 photonic nanojets from Si₃N₄ microdisks // Opt. Express. 2012. V. 20. P. 128–140.
7. Mendes M.J., Tobías I., Martí A., Luque A. Near-field scattering by dielectric spheroidal particles with sizes on the order of the illuminating wavelength // J. Opt. Soc. Am. B. 2010. V. 27, N 6. P. 1221–1231.
8. Minin I.V., Minin O.V., Geints Yu.E. Localized EM and photonic jets from non-spherical and non-symmetrical dielectric mesoscale objects: Brief review // Ann. Phys. 2015. V. 527, N 7. P. 1–7.
9. Kong S.-C., Taflove A., Backman V. Quasi one-dimen- sional light beam generated by a graded-index microsphere // Opt. Express. 2009. V. 17. P. 3722–3731.
10. Geints Yu.E., Zemlyanov A.A., Panina E.K. A photonic nanojet calculations in layered radially-inhomogeneous micrometer-sized spherical particles // J. Opt. Soc. Am. B. 2011. V. 28, N 8. P. 1825–1830.
11. Wang Z.B., Guo W., Luk’yanchuk B., Whitehead D.J., Li L., Liu Z. Optical near-field interaction between neighbouring micro/nano-particles // J. Laser Micro/ Nanoeng. 2008. V. 3, N 1. P. 14–18.
12. Pikulin A., Afanasiev A., Agareva N., Alexandrov A.P., Bredikhin V., Bityurin N. Effects of spherical mode coupling on near-field focusing by clusters of dielectric microspheres // Opt. Express. 2012. V. 20. P. 9052–9057.
13. Geints Yu.E., Zemlyanov A.A. Metalens optical 3D-trapping and manipulating of nanoparticles // J. Opt. 2018. V. 20, N 7. P. 1–7. DOI: 10.1088/2040-8986/ aac643.
14. Heifetz A., Simpson J.J., Kong S.-C., Taflove A., Back- man V. Subdiffraction optical resolution of a gold nanosphere located within the nanojet of a Mie-resonant dielectric microsphere // Opt. Express. 2007. V. 15, N 25. P. 17334–17342.
15. Devilez A., Bonod N., Stout B., Gerard D., Wenger J., Rigneault H., Popov E. Three-dimensional subwavelength confinement of light with dielectric microspheres // Opt. Express. 2009. V. 17, N 4. P. 2089–2094.
16. Yang H., Trouillon R., Huszka G., Gijs M.A.M. Super-resolution imaging of a dielectric microsphere is governed by the waist of its photonic nanojet // Nano Lett. 2016. V. 16, N 8. P. 4862–4870.
17. Li Y.C., Xin H.B., Lei H.X., Liu L.L., Li Y.Z., Zhang Y., Li B.J. Manipulation and detection of single nanoparticles and biomolecules by a photonic nanojet // Light: Sci. Appl. 2016. V. 5, N 12. P. e16176.
18. Jacassi A., Tantussi F., Dipalo M., Biagini C., Maccaferri N., Bozzola A., De F. Angelis Scanning probe photonic nanojet lithography ACS // Appl. Mater. Interfaces. 2017. V. 9, N 37. P. 32386–32393.
19. Kovrov A., Novitsky A., Karabchevsky A., Shalin A.S. A photonic nanojet as tunable and polarization-sensitive optical tweezers // Ann. Phys. 2018. V. 530, N 9. P. 1800129.
20. Ma B., Liu Z.W. A super resolution metalens with phase compensation mechanism // Appl. Phys. Lett. 2010. V. 96. P. 183103.
21. Sun Z., Kim H.K. Refractive transmission of light and beam shapingwith metallic nano-optic lenses // Appl. Phys. Lett. 2004. V. 85, N 4. P. 642–644.
22. Verslegers L., Catrysse P.B., Yu Z., White J.S., Barnard E.S., Brongersma M.L., Fan S. Planar lenses based on nanoscale slit arrays in a metallic film // Nano Lett. 2009. V. 9, N 1. P. 235–238.
23. Ma B., Escobar M.A., Liu Z.W. Extraordinary light focusing and Fourier transform properties of gradient-index metalenses // Phys. Rev. B. 2011. V. 84. P. 195142.
24. Ma H.F., Wang G.Z., Jiang W.X., Cui T.J. Independent control of differently-polarized waves using anisotropic gradient-index metamaterials // Sci. Rep. 2014. V. 4. P. 6337.
25. Yue L., Yan B., Wang Z. Photonic nanojet of cylindrical metalens assembled by hexagonally arranged nanofibers for breaking the diffraction limit // Opt. Lett. 2016. V. 41, N 7. P. 1336.
26. Liu C.-Y. Flexible photonic nanojet formed by cylindrical graded-index lens // Crystals. 2019. V. 9, N 4. P. 198.
27. Yee K.S. Numerical solution of initial boundary value problems involving Maxwell’s equations in isotropic media // IEEE Trans. Antennas Propag. 1966. V. 14, iss. 3. P. 302–307.
28. Taflove A., Hagness S. Computational electrodynamics: The finite-difference time-domain method. Boston: Arthech House Pub., 2000. 852 p.
29. Bruggeman D.A.G. Dielektrizitatskonstanten und Leitfahigkeiten der Mischkorper aus Isotropen Substanzen Dielektrizitatskonstanten und Leitfahigkeiten der Mis- chkorper aus Isotropen Substanzen // Ann. Phys. 1935. V. 416. P. 636–664.
30. Апресян Л.А., Власов Д.В., Задорин Д.А., Красовский В.И. О модели эффективной среды для частиц со сложной структурой // Журн. техн. физ. 2017. Т. 87, вып. 1. C. 10–17.