[論文レビュー] Simulation and experimental observation of tunable photonic nanojet and photonic hook upon asymmetric illumination of a mesoscale cylinder with mask

Igor V. Minin, Oleg V. Minin+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 10, 2020

Near-Field Optical Microscopy参考文献 20被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、405 nmの非対称照射条件下で、可変なアルミニウムマスクを備えたミクロスケールPDMSシリンダーを用いて、実験的に調整可能な光子ナノジェットおよび光子フックを実証した。マスク高さと入射角を変化させることで、光子フックの半値全幅（FWHM）を制御的に0.48λ（θ = 0°）、0.56λ（θ = 5.7°）、0.76λ（θ = 20.1°）にまで低下させ、超解像像得およびナノ操作に適した波長未満の場の局在化を実現した。

ABSTRACT

In this letter, we report on numerical study, fabrication and experimental observations of tunable photonic nanojet and photonic hook. Here, the curved photonic nanojets (photonic hooks) are generated by single mesoscale microcylinder that we fabricated from polydimethylsiloxane (PDMS), upon its boundary illumination and adjustable area at an incident wavelength of λ = 405 nm. Experimental observations were conducted for PDMS microcylinder of diameter d = 5 μm deposited on a silicon substrate with the aluminum mask. Measurements were performed with a scanning optical microscope. Our experimental results are in good agreement with numerical predictions performed with the finite-difference time-domain method. The observed the full widths at half-maximum of photonic hooks are 0.48λ, 0.56λ, and 0.76λ for tilt angles of θ = 0°, 5.7°, and 20.1° respectively, at the mask heights of h = 0, 0.25d and 0.5d, respectively, displaying the specificities of the field localization. These photonic hooks have great potential in complex manipulation such as super-resolution imaging, surface fabrication, and optomechanical manipulation in curved trajectories smaller than wavelength.

研究の動機と目的

• 可変マスクを備えたミクロスケールマイクロシリンダーを用いて、チューナブルな光子ナノジェットおよび光子フックを設計・プロトタイピングすること。
• 非対称照射およびマスク幾何学的形状が場の局在化およびビーム形状に与える影響を調査すること。
• ミクロスケール系における光子フック形成およびチューナビリティの数値予測を実験的に検証すること。
• 超解像像得およびオプトメカニクスへの応用を想定し、波長未満の焦点化および曲がった軌道制御を実証すること。

提案手法

• 有限差分時域法（FDTD）シミュレーションを用いて、非対称照射下におけるアルミニウムマスクを有するPDMSマイクロシリンダーの電磁応答をモデル化した。
• 直径5 µmのミクロスケールPDMSシリンダーをプロセスし、可変高さ（h = 0, 0.25d, 0.5d）のパターン化アルミニウムマスクをシリコン基板上に堆積した。
• 405 nmの非対称照射を施し、境界散乱および位相工学により曲がった光子ナノジェット（光子フック）を励起した。
• 走査型光学顕微鏡を用いて、光子フックの強度分布およびFWHMを実験的に測定した。
• マスク高さおよび入射角を系統的に変化させ、ビームの曲がり具合および局在化特性をチューニングした。
• 実験結果をFDTDシミュレーションと比較し、観測された場の分布およびチューナビリティの妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 可変マスクを備えた単一のミクロスケールPDMSシリンダーが、非対称照射下で制御可能な光子フックを生成できるか？
• RQ2 マスク高さが光子フックの半値全幅（FWHM）に与える影響は何か？
• RQ3 入射角が光子ナノジェットの曲がり具合および局在化に及ぼす影響の程度はどの程度か？
• RQ4 ミクロスケール系において、実験的観察された光子フックが数値FDTD予測と一致するか？
• RQ5 このような系で実現可能な波長未満の分解能および場の局在化は、実用的応用においてどの程度達成可能か？

主な発見

• θ = 0°およびh = 0の条件下で、光子フックのFWHMは0.48λにまで短縮され、強い波長未満の閉じ込めを示した。
• θ = 5.7°およびh = 0.25dの条件下で、FWHMは0.56λに増加し、マスク高さに伴うビーム幅のチューナビリティが確認された。
• θ = 20.1°およびh = 0.5dの条件下で、FWHMは0.76λにまで拡大され、傾きおよびマスク高さの増加に伴う進行的拡張が裏付けられた。
• 実験測定結果はFDTDシミュレーションと良好に一致し、理論モデルの妥当性が検証された。
• マスク幾何学的形状および照射角の制御により、光子フックの曲がり具合および局在化が動的に制御可能であることが明らかになった。
• 本結果は、曲がった波長未満ビームを用いた超解像像得、表面ナノファブリケーション、およびオプトメカニカル操作への応用可能性を示した。