[论文解读] Excitation of radiationless anapole mode of isotropic dielectric nanoparticles with tightly focused radially polarized beam

Lei Wei, Zheng Xi+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 25, 2016

Orbital Angular Momentum in Optics参考文献 24被引用 64

一句话总结

本文通过使用紧密聚焦的径向极化光束，在各向同性高折射率介质纳米球中激发了无辐射的电偶极子禁戒模。通过采用具有π相位差的两束反向传播光束构成4π配置，电偶极矩与涡旋偶极矩发生相消干涉，完全抑制了所有辐射，实现了零散射的完全非辐射电偶极子禁戒模，尽管内部能量吸收强烈。

ABSTRACT

A high index dielectric nano-sphere can be excited and yet remain radiationless. A method to excite the non-radiating anapole mode of a high index isotropic dielectric nanosphere is presented. With tightly focused radially polarized beam illumination, the main-contributing electric dipole mode and magnetic modes can be zero with only a weak electric quadruple contributing to the total scattering. Further, with a standing wave illumination formed by two counter-propagating focused radially polarized beam under $4π$ configuration, the ideal radiationless ananpole can be excited.

研究动机与目标

• 展示一种在无结构、各向同性介质纳米球中激发无辐射电偶极子禁戒模的方法，该纳米球在常规照明下通常会辐射。
• 克服平面波照明下电偶极矩与磁偶极矩同时激发所带来的挑战，该现象会阻止散射的完全抑制。
• 通过反向传播光束的干涉工程激发场，实现理想的非辐射电偶极子禁戒模。
• 表明无需结构工程，仅通过光束整形与干涉即可在球形粒子中实现电偶极子禁戒模。

提出的方法

• 使用紧密聚焦的径向极化光束激发纳米球，利用其强纵向电场（Ez）和焦点处零横向磁场的特性。
• 应用Richard-Wolf衍射积分计算高数值孔径物镜系统（NA = 0.86）中径向极化光束的聚焦场分布。
• 采用有限元法（FEM）模拟计算在聚焦光束照射下纳米球的散射与内部能量。
• 通过使用两束强度相等、具有π相位差的反向传播径向极化光束，实现4π配置，形成增强纵向E场并抑制横向场的驻波。
• 4π配置中的干涉图案确保仅激发相位相反的电偶极矩与涡旋偶极矩，从而在远场实现相消干涉。
• 通过光谱监测散射功率与内部能量，识别辐射消失的电偶极子禁戒条件。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在无结构工程的各向同性介质纳米球中激发无辐射电偶极子禁戒模？
• RQ2 紧密聚焦的径向极化光束能否在高折射率纳米球中同时抑制电偶极矩与磁偶极矩辐射？
• RQ3 反向传播径向极化光束构成的4π配置是否能实现远场辐射的完全抵消，同时保持强内部激发？
• RQ4 在单束光激发下，电四极矩在残余散射中起什么作用？
• RQ5 能否仅通过光束整形与干涉在球形Mie粒子中实现电偶极子禁戒模的实验验证？

主要发现

• 在λ = 464 nm处，单束紧密聚焦径向极化光束照射下，纳米球的散射功率比在电偶极子共振波长（λ = 554 nm）时弱40倍，表明辐射被强烈抑制。
• 尽管抑制强烈，但微弱的电四极矩贡献导致非零散射，因此在单束激发下无法实现完全无辐射状态。
• 在具有反向传播光束的4π配置中，散射功率在λ = 464 nm处精确降为零，证实了理想无辐射电偶极子禁戒模的形成。
• 当粒子不存在时，粒子内部能量达到相同体积内焦点能量的8倍，证实了强激发而无辐射。
• 两束反向传播光束形成的驻波增强了纵向E场并抑制了横向场，从而实现了相位相反的纯电偶极矩与涡旋偶极矩激发。
• 在电偶极子禁戒条件（λ = 464 nm）下，辐射图案显示远场无任何可检测散射，尤其在z = 0平面，证实了偶极场的完全相消干涉。