[论文解读] 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 4

一句话总结

本研究通过在405 nm波长下对具有可调铝掩模的介观PDMS圆柱体进行非对称照明，实验实现了可调谐的光子纳米喷流和光子弯钩。通过调节掩模高度和入射角，光子弯钩的半高全宽（FWHM）可被可控地减小至0.48λ（θ = 0°）、0.56λ（θ = 5.7°）和0.76λ（θ = 20.1°），从而实现亚波长场局域化，适用于超分辨率成像和纳米操控。

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.

研究动机与目标

• 设计并制造一种基于可调掩模的介观微圆柱，实现可调谐的光子纳米喷流与光子弯钩。
• 研究非对称照明与掩模几何形状对场局域化与光束整形的影响。
• 在介观系统中实验验证数值FDTD模拟对光子弯钩形成与可调性的预测。
• 展示亚波长聚焦与弯曲轨迹操控，应用于超分辨率成像与光机械学。

提出的方法

• 采用有限元时域（FDTD）方法模拟在非对称照明下，带有铝掩模的PDMS微圆柱的电磁响应。
• 制备了介观PDMS圆柱（d = 5 µm）并沉积在硅基底上，其上具有可变高度的图案化铝掩模（h = 0, 0.25d, 0.5d）。
• 在λ = 405 nm波长下施加非对称照明，通过边界散射与相位调控激发弯曲的光子纳米喷流（光子弯钩）。
• 采用扫描光学显微镜实验测量光子弯钩的强度分布与FWHM。
• 系统性地改变掩模高度与入射角，以调节光束曲率与局域化特性。
• 将实验结果与FDTD模拟进行对比，验证观测到的场分布与可调性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在非对称照明下，单个具有可调掩模的介观PDMS圆柱是否能产生可控的光子弯钩？
• RQ2 掩模高度如何影响光子弯钩的半高全宽（FWHM）？
• RQ3 入射角在多大程度上影响光子纳米喷流的曲率与局域化？
• RQ4 在介观系统中，实验观测到的光子弯钩是否与数值FDTD预测一致？
• RQ5 此类系统在实际应用中可实现的亚波长分辨率与场局域化程度如何？

主要发现

• 在θ = 0°且h = 0时，光子弯钩的FWHM为0.48λ，表现出强烈的亚波长约束。
• 在θ = 5.7°且h = 0.25d时，FWHM增加至0.56λ，表明掩模高度可调控光束宽度。
• 在θ = 20.1°且h = 0.5d时，FWHM达到0.76λ，证实随着倾斜角与掩模高度增加，光束逐渐展宽。
• 实验测量结果与FDTD模拟高度一致，验证了理论模型的可靠性。
• 通过调节掩模几何形状与照明角度，可实现对光子弯钩曲率与局域化的动态控制。
• 结果表明，该系统在超分辨率成像、表面纳米加工与光机械操控中具有应用潜力，可利用弯曲的亚波长光束实现。