[논문 리뷰] Magnetic Control of Transmission and Helicity of Nano-Structured Optical Beams in Magnetoplasmonic Vortex Lenses

Nicolò Maccaferri, Yuri Gorodetski외 4명|arXiv (Cornell University)|2017. 09. 07.

Orbital Angular Momentum in Optics참고 문헌 35인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 궤도 운동량을 가진 나노구조 광선의 전송 및 편광성 방향을 자기장에 의해 조절할 수 있는 활성적이고 자기장 조절이 가능한 마그네토플라스모닉 바이러스 렌즈를 제안한다. 금속 플라스모닉 팁과 금 나선형 슬릿을 통합함으로써, 시스템은 자화 효과를 통해 빛의 편광 상태와 장거리 방출을 동적으로 조절할 수 있으며, 재구성 가능한 플라스모닉 바이러스 생성을 위한 조절 가능한 플랫폼을 구현한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 광선의 편광 및 궤도 운동량에 대한 동적 제어가 가능한 조절 가능한 플라스모닉 바이러스 렌즈를 개발하는 것.
• 플라스모닉 시스템에서 자기광학적 활성이 나노구조 광선의 전송 및 편광성 방향을 조절하는 데 미치는 영향을 탐구하는 것.
• 장거리 방출 능력을 갖춘 국소적 자극 메커니즘을 통한 플라스모닉 바이러스 생성을 보여주는 것.
• 나노스케일에서 빛의 스핀 및 궤도 운동량을 자기장에 의해 활성적으로 제어할 수 있는 플랫폼을 구축하는 것.

제안 방법

• 시스템은 자기성 물질(예: 가르네트)로 구성된 마그네토플라스모닉 팁과 그 주변에 둘러싸인 금 나선형 슬릿 구조를 사용한다.
• 이론적 모델링은 유한요소법 시뮬레이션을 활용하여 외부 자기장 작용 하에서의 전자기적 반응을 분석한다.
• 외부 자기장에 의해 자기광학적 활성이 유도되어 플라스모닉 시스템에서 비상호적 반응이 발생한다.
• 나선형 기하학적 구조는 원하는 궤도 운동량을 가진 광선의 선택적 자극을 가능하게 한다.
• 시스템의 전송 및 편광성 방향은 적용된 자기장의 방향과 강도의 함수로 분석된다.
• 이론적 분석은 방출된 광선의 장거리 방출 패턴과 편광 상태에 집중한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 마그네토플라스모닉 바이러스 렌즈는 광선의 전송에 대해 활성적이고 자기장 조절이 가능한 제어를 가능하게 하는가?
• RQ2 외부 자기장의 적용이 생성된 플라스모닉 바이러스 광선의 편광성 방향에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 자기 구조를 통해 방출된 광선의 궤도 운동량 상태를 어느 정도 제어할 수 있는가?
• RQ4 나선형 슬릿 기하학적 구조가 장거리 방출 및 광선의 편광을 어떻게 형상화하는가?
• RQ5 시스템은 재구성 가능한 편광 상태를 갖는 플라스모닉 바이러스의 선택적 자극을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 자기장 적용에 따라 강도와 편광 상태에 명백한 변화가 발생함으로써, 시스템은 자기장 조절이 가능한 광선 전송을 보여준다.
• 적용된 자기장 방향을 반전시킴으로써 방출된 광선의 편광성 방향을 능동적으로 조절할 수 있으며, 이는 광선의 스핀 운동량에 대한 동적 제어를 가능하게 한다.
• 장거리 방출 패턴은 잘 수렴된 빛의 광선과 명확한 바이러스 위상 구조를 보이며 궤도 운동량의 생성을 확인한다.
• 이론적 시뮬레이션은 나선형 금 슬릿 구조가 마그네토플라스모닉 모드에 효과적으로 결합되어 방향성 있는 광선 방출을 가능하게 한다는 것을 확인한다.
• 자기성 팁에서의 자기광학적 활성은 비상호적 전송을 유도하여 빛의 편광 선택적 루팅을 가능하게 한다.
• 외부 자기장 제어를 통해 출력 광선의 진폭과 편광 상태에 대해 높은 수준의 조절 가능성을 달성한다.