[논문 리뷰] 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. Minin외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 10.

Near-Field Optical Microscopy참고 문헌 20인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 405 nm에서 비대칭 조명 조건 하에 조절 가능한 알루미늄 마스크를 갖춘 중간 척도의 PDMS 실린더를 사용하여 실험적으로 조절 가능한 광학 나노제트와 광학 후크를 구현한다. 마스크 높이와 입사각을 변화시킴으로써 광학 후크의 반폭하강점 너비(FWHM)를 제어적으로 0.48λ(θ = 0°), 0.56λ(θ = 5.7°), 및 0.76λ(θ = 20.1°)로 감소시켜 초해상도 영상 및 나노조작을 위한 초파장 필드 국소화를 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 조절 가능한 마스크를 갖춘 중간 척도의 마이크로실린더를 사용하여 가변 광학 나노제트 및 광학 후크를 설계하고 제작한다.
• 비대칭 조명 및 마스크 기하학적 구조가 필드 국소화 및 빔 형상 조절에 미치는 영향을 조사한다.
• 중간 척도 시스템에서 광학 후크 형성 및 조절 가능성에 대한 수치 예측을 실험적으로 검증한다.
• 초해상도 영상 및 옵티컬메카닉스 응용 분야를 위해 곡선 경로를 갖는 초파장 집중 및 조작을 구현한다.

제안 방법

• 유한차분시간영역(FDTD) 시뮬레이션을 사용하여 비대칭 조명 하에서 알루미늄 마스크를 갖춘 PDMS 마이크로실린더의 전자기적 반응을 모델링하였다.
• 중간 척도의 PDMS 실린더(d = 5 µm)를 제작하고, 높이가 변하는 패턴화된 알루미늄 마스크(h = 0, 0.25d, 0.5d)를 실리콘 기판에 도포하였다.
• 405 nm 파장의 비대칭 조명을 적용하여 경계에서의 산란 및 위상 공학을 통해 곡선형 광학 나노제트(광학 후크)를 자극하였다.
• 스캐닝 광학 현미경을 사용하여 광학 후크의 강도 분포 및 FWHM를 실험적으로 측정하였다.
• 마스크 높이와 입사각을 체계적으로 변화시켜 빔 곡률 및 국소화 특성을 조절하였다.
• 실험 결과를 FDTD 시뮬레이션과 비교하여 관측된 필드 프로파일 및 조절 가능성의 타당성을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비대칭 조명 하에서 가변 마스크를 갖춘 단일 중간 척도의 PDMS 실린더가 제어 가능한 광학 후크를 생성할 수 있는가?
• RQ2 마스크 높이가 광학 후크의 반폭하강점 너비(FWHM)에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 입사각이 광학 나노제트의 곡률 및 국소화에 어느 정도의 영향을 미치는가?
• RQ4 중간 척도 시스템에서 실험적 관측 결과가 수치적 FDTD 예측과 일치하는가?
• RQ5 실제 응용을 위해 이러한 시스템에서 달성 가능한 초파장 해상도 및 필드 국소화는 어느 정도인가?

주요 결과

• θ = 0° 및 h = 0 조건에서 광학 후크의 FWHM는 0.48λ로 나타나 강력한 초파장 국소화를 보였다.
• θ = 5.7° 및 h = 0.25d 조건에서 FWHM는 0.56λ로 증가하여 마스크 높이에 따른 빔 너비 조절 가능성을 확인하였다.
• θ = 20.1° 및 h = 0.5d 조건에서 FWHM는 0.76λ에 도달하여 기울기와 마스크 높이 증가에 따라 점진적인 넓어짐을 확인하였다.
• 실험 측정 결과는 FDTD 시뮬레이션과 뛰어난 일치를 보였으며, 이론 모델의 타당성이 검증되었다.
• 마스크 기하학 및 조명 각도를 통해 광학 후크의 곡률 및 국소화를 동적으로 제어할 수 있다.
• 결과는 곡선형 초파장 빔을 이용한 초해상도 영상, 표면 나노재료 제작, 옵티컬메카닉스 조작 응용 분야의 잠재력을 보여주었다.