[論文レビュー] Magnetic Control of Transmission and Helicity of Nano-Structured Optical Beams in Magnetoplasmonic Vortex Lenses

Nicolò Maccaferri, Yuri Gorodetski+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 7, 2017

Orbital Angular Momentum in Optics参考文献 35被引用数 6

ひとこと要約

本論文では、軌道的角運動量を有するナノ構造化光学ビームの透過およびヘリシティを磁場で制御可能なアクティブな磁気プラズモンビスマシンレンズの提案を行う。金のスパイラルスリットと磁性プラズモンティップを統合することにより、磁気光学効果を通じて光の偏光状態および遠方場ビーミングを動的に制御する。本システムは再構成可能なプラズモンビスマシン生成のためのチューナブルなプラットフォームを実証する。

ABSTRACT

We theoretically investigate the generation of far-field propagating optical beams with a desired orbital angular momentum by using an archetypical magnetoplasmonic tip surrounded by a gold spiral slit. The use of a magnetic material can lead to important implications once magneto-optical activity is activated through the application of an external magnetic field. The physical model and the numerical study presented here introduce the concept of magnetically tunable plasmonic vortex lens, namely a magnetoplasmonic vortex lens, which ensures a tunable selectivity in the polarization state of the generated nanostructured beam. The presented system provides a promising platform for a localized excitation of plasmonic vortices followed by their beaming in the far-field with an active modulation of both light's transmittance and helicity.

研究の動機と目的

• 光学ビームの偏光および軌道的角運動量に対して動的制御が可能なチューナブルなプラズモンビスマシンレンズの開発を目的とする。
• プラズモン系におけるナノ構造化ビームの透過およびヘリシティを変調するための磁気光学的活性の役割を調査することを目的とする。
• 遠方場ビーミング機能を有する局所的励起メカニズムによるプラズモンビスマシンの生成を実証することを目的とする。
• ナノスケールでの光のスピンおよび軌道的角運動量を磁場で能動的に制御可能なプラットフォームを確立することを目的とする。

提案手法

• 本システムは、磁性材料（例：ガーネット）からなる磁気プラズモンティップと、金のスパイラルスリット構造を備えたものである。
• 理論的モデリングには、外部磁場下での電磁応答を解析するための有限要素法シミュレーションが用いられる。
• 外部磁場を印加することで磁気光学的活性が発現し、プラズモン系に非再帰的応答を誘発する。
• 金スリットのスパイラル形状により、所望の軌道的角運動量を有する光学ビームの選択的励起が可能となる。
• 適用される磁場の方向および強度を関数として、システムの透過およびヘリシティを分析する。
• 理論的分析は、放射されるビームの遠方場放射パターンおよび偏光状態に焦点を当てる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 磁気プラズモンビスマシンレンズは、光学ビームの透過に対して能動的かつ磁場でチューニング可能な制御を可能にするか？
• RQ2 外部磁場の印加が生成されたプラズモンビスマシンビームのヘリシティにどのように影響を与えるか？
• RQ3 磁場配置を用いることで、放射されるビームの軌道的角運動量状態をどの程度制御できるか？
• RQ4 スパイラルスリットの幾何形状が、遠方場放射およびビームの偏光をどのように形作るか？
• RQ5 本システムは、再構成可能な偏光状態を持つプラズモンビスマシンの選択的励起を達成できるか？

主な発見

• 磁場印加に伴い、光の透過が磁場でチューニング可能であり、強度および偏光状態に顕著な変化が観察された。
• 磁場の方向を反転させることで、放射ビームのヘリシティを能動的に変調でき、ビームのスピン角運動量に対する動的制御が可能である。
• 遠方場放射パターンは明確な収束ビームと、はっきりとしたビスマシン位相構造を示しており、軌道的角運動量の生成が確認された。
• 理論的シミュレーションにより、スパイラル金スリット構造が磁気プラズモンモードに効果的に結合し、方向性ビーミングを可能にすることが確認された。
• 磁性ティップにおける磁気光学的活性が非再帰的透過を引き起こし、光の偏光選択的ルーティングを可能にした。
• 外部磁場制御により、出力ビームの振幅および偏光状態の両方において、高いチューナビリティが達成された。