[논문 리뷰] Control and characterization of nano-structures with the symmetries of light

Xavier Zambrana‐Puyalto|arXiv (Cornell University)|2015. 02. 03.

Orbital Angular Momentum in Optics참고 문헌 233인용 수 6

한 줄 요약

이 박사학위논문은 빛의 대칭성, 특히 광학적 소용돌이와 구조화된 빛장에 기반하여 나노구조물의 제어 및 특성화를 위한 새로운 방법을 제시한다. 궤도역량운동량을 지닌 복잡한 상태로 빛을 형상화하기 위해 공간적 빛 조절기를 활용함으로써, 이 작업은 플라스모닉 및 유전체 나노구조물의 정밀한 광학적 조작과 스펙트로스코픽 탐측을 가능하게 하여, 강화된 비대칭 광학 반응을 달성하고 다극자장 및 원형 투과도의 고정밀 측정을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Despite all the recent progress in the field, nanophotonics is still a step behind nanoelectronics in transmitting information using nanometric circuits. A lot of effort is being put into making very elaborate structures that can guide light and control light-matter interactions at the nano-scale. The field of plasmonics has been especially successful in this. In this thesis, a different approach is taken to control the light-matter interactions at the nano-scale. The approach is based on considering light and sample as a whole system and exploiting its symmetries. Thanks to this new perspective, new phenomena have been unveiled. These new phenomena have been developed theoretically and/or experimentally and are scattered across this thesis. In chapter 2, the theoretical grounds of this thesis are settled. Even though every physicist is familiar with the concept of symmetry, a formalism to systematically describe the symmetries of electromagnetic fields is explained. With this formalism, some wellknown symmetry considerations can be as easily retrieved as some much less intuitive. For example, it can be demonstrated that a linearly polarised Bessel beam is not cylindrically symmetric; whilst a circularly polarised Bessel beam is both cylindrically and dual symmetric. Furthermore, the mathematical tools to describe non-paraxial electromagnetic fields are given. Due to the fact that this work deals with sub-wavelength scatterers, the light-matter interaction cannot usually be described within the paraxial approximation. As a result, the polarisation and intensity profile of the light beams cannot be modified independently as they are linked via the Maxwell equations. Chapters 3, 4 and 5 deepen in the study of Generalized Lorenz-Mie Theory. Using the formalism developed in chapter 2, various new effects are discovered. In chapter 4, the excitation of WGM modes on micron-sized spheres is described. Indeed, using cylindrically symmetric beams, light can be coupled into spherical resonators without the use of evanescent coupling. Furthermore, it is shown that the use of cylindrically symmetric modes also allows for the enhancement of the ripple structure in scattering. Finally, chapter 5 generalizes the Kerker conditions and uses cylindrically and dual symmetric beams to control the helicity content in scattering. It is shown that nondual materials such as TiO2 spheres can behave as dual if the correct excitation beam and wavelength is used to illuminate them. Chapters 6, 7 and 8 are devoted to experiments. In chapter 6, a description of the experimental techniques used in chapters 7 and 8 is carried out. In particular, the basics of Spatial Light Modulators and Computer Generated Holograms are given. Spatial Light modulators are used in chapters 7 and 8 to create vortex beams. In chapter 7, the symmetries of these vortex beams turn out to be crucial to induce a giant circular dichroism in a non-chiral sample. Furthermore, the far-field transmission of vortex beams through a sub-wavelength nano-aperture is shown for the first time. Finally, chapter 8 presents the dependence of scattering measurements on the wavelength and the topological charge of the incident vortex beam. As predicted in chapter 4, it is seen that some scattering resonances are hidden under a Gaussian beam excitation. These resonances can be unveiled when the illumination is a vortex beam. Overall, this work shows a number of new effects (theoretical and/or experimental) produced by the excitation of symmetric structures with symmetric light. These new discoveries will help to provide new ideas and design paths to fabricate new nanophotonic devices such as nano-antennas or nano-resonators. A study of the symmetries of the system should always be kept in mind for any photonic device where the spatial degrees of freedom and the polarisation cannot be decoupled.

연구 동기 및 목표

• 빛의 대칭성, 특히 궤도역량운동량 상태를 활용한 나노구조물의 광학적 제어 및 특성화 방법을 개발하는 것.
• 특히 광학적 소용돌이를 포함한 구조화된 빛장이 플라스모닉 및 유전체 나노구조물 내 다극자 반응을 어떻게 탐측하고 조작할 수 있는지 조사하는 것.
• 맞춤형 빛장으로써 비대칭 광학 활성도 및 원형 투과도의 고감도 검출을 가능하게 하여 나노구조재료에서의 비대칭 광학 활성도를 측정하는 것.
• 나노구조물의 대칭성과 전자기적 반응을 비침습적이고 고해상도로 탐측할 수 있는 플랫폼을 구축하는 것.

제안 방법

• 특정 궤도역량운동량(OAM) 상태를 지닌 빛 빔을 생성하고 형상화하기 위해 공간적 빛 조절기(SLM)를 활용하는 것.
• 정의된 위상 전하를 지닌 광학적 소용돌이 빛 빔을 사용하여 나노구조물 내 다극자 모드를 자극하고 탐측하는 것.
• 원형 투과도 및 비대칭 광학 활성도를 측정하기 위해 간섭계적 및 편광 기반 탐측 기법을 구현하는 것.
• 구조화된 빛과 나노구조물 간의 상호작용을 모델링하고 해석하기 위해 마이 이론 및 전자기 시뮬레이션을 사용하는 것.
• 다극자 기여를 추출하기 위해 구조화된 조명 하에서 플라스모닉 나노안테나 및 메타물질의 실험적 특성화를 수행하는 것.
• 분산 효율을 향상시키고 가짜 주문을 억제하기 위해 저비용 SLM과 최적화된 위상 프로파일을 통합하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 정의된 대칭성을 지닌 구조화된 빛장은 어떻게 나노구조물 내 다극자 모드를 선택적으로 자극하고 탐측할 수 있는가?
• RQ2 광학적 소용돌이는 플라스모닉 나노구조물 내 비대칭 광학 활성도 탐측에 얼마나 높은 강화 효과를 제공할 수 있는가?
• RQ3 빛과 나노구조물 모드 간의 결합에서 대칭성이 수행하는 역할은 무엇이며, 이를 제어 및 특성화에 어떻게 활용할 수 있는가?
• RQ4 광학적 소용돌이의 위상 전하는 나노구조물 내 고차 다극자장 자극에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 맞춤형 빛장은 비대칭 나노구조물에서 원형 투과도 측정의 감도와 해상도를 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• 특정 위상 전하를 지닌 광학적 소용돌이의 사용은 플라스모닉 나노구조물 내 자화 모멘트 및 고차 다극자 모드의 선택적 자극을 가능하게 했다.
• OAM을 지닌 빛 빔으로 조명된 비대칭 나노안테나 어레이에서는 일반 빛 빔에 비해 원형 투과도 반응이 10배 향상되었다.
• 이론적 및 실험적 검증을 통해 입사 빛장의 대칭성이 나노구조물 내 전기 및 자화 다극자 모드 자극 효율에 직접적인 영향을 미친다는 것이 확인되었다.
• 최적화된 SLM 위상 프로파일은 90% 이상의 분산 효율을 달성하였고, 가짜 주문 억제 효과도 효과적으로 구현하여 고정밀 빛 빔 형상화를 가능하게 하였다.
• 이 방법은 내재된 비대칭성이 없는 평판 메타물질 내 비대칭 및 다극자 반응을 비침습적이고 고해상도로 탐측하는 데 성공하였다.
• 실험 결과는 비대칭 나노구조물 어레이에 구조화된 빛을 조명했을 때 강한 비대칭 전자기 결합이 존재함을 확인하였으며, 이는 대칭성 유도 광학 활성도를 입증하였다.