Четырёхзонный отражающий азимутальный микрополяризатор

Исследованию способов получения цилиндрических векторных пучков посвящено в последние годы значительное число работ. Одним из способов получения цилиндрических векторных пучков можно назвать субволновые решётки. Правильно подобранная высота профиля такой решётки позволяет использовать её в качестве полуволновых (или же четвертьволновых) пластинок, в то время как направление рельефа определяет ориентацию такой пластинки в пространстве.

Впервые использование субволновых решёток для изменения состояния поляризации описано в работе [1]. В качестве первых работ, где такие решётки были изготовлены, можно назвать работы [2, 3], где осуществлялось преобразование света круговой поляризации с длиной волны 10,6 мкм в азимутально-поляризованный пучок. Получение радиально-поляризованного светового пучка для субволновой решётки, работающей для длины волны 1064 нм, рассмотрено в работе [4]. Описание технологии получения преобразователя поляризации для длин волн в диапазоне от 1030 нм до 1060 нм, изготовленного из кремния, приведено в статье [5].

Следует отметить, что большинство работ по использованию субволновых решёток для преобразования поляризации посвящены исследованию ИК-диапазона, так как изготовление таких решёток для видимого диапазона длин волн представляет технологические сложности. Удалось обнаружить только одну работу [6], в которой изготовленная из алюминия субволновая кольцевая решётка преобразовывала круговую поляризацию в радиальную в видимом диапазоне длин волн (для длины волны 633 нм). Но такая решётка не может формировать азимутальную поляризацию. Также ранее нами была рассмотрена четырёхзонная решётка-поляризатор, предназначенная для получения радиально-поляризованного пучка [7]. Полученный радиально-поляризованный пучок использовался нами для фокусировки лазерного излучения зонной пластинкой Френеля в субволновое фокусное пятно с размером (0,35×0,38)λ, где λ – длина волны фокусируемого света [8]. Использование радиально-поляризованного излучения для острой фокусировки света – наиболее востребованная область применения такого состояния поляризации. В последнее время интерес исследователей привлекает также изучение радиальной или азимутальной поляризации с оптическими вихрями.

Самой ранней работой по исследованию фокусировки оптических вихрей с пространственно неоднородной поляризацией, которую нам удалось обнаружить, оказалась работа [9]. В ней с помощью интегралов Ричардса–Вольфа, в частности, было показано, что оптический вихрь с радиальной или азимутальной поляризацией формирует в фокусе пик интенсивности, только если его топологический заряд равен n = 1. В [10] численно исследуется фокусировка радиально- и азимутально-поляризованных вихрей с топологическими зарядами n = 1 и n = 2 в слое дву-лучепреломляющего кристалла. Было показано, что в случае использования вихря с топологическим зарядом n = 1 в фокусе линзы (NA = 0,9) формируется «пиковое» распределение интенсивности, в то время как вихрь с топологическим зарядом n = 2 формирует кольцо. Распространение оптического вихря с начальной радиальной поляризацией рассмотрено в работе [11]. Влияние спиральной пластинки, внесённой в азимутально-поляризованный лазерный пучок с целью уменьшения фокусного пятна, изучалось в [12]. Было показано, что такой пучок формирует на 13,5 % меньшее фокусное пятно (0,147λ²) по сравнению с аналогичным фокусом от радиально-поляризованного пучка (0,17λ²). В [13] исследовалась фокусировка азимутально-поляризованного пучка, прошедшего через концентрические кольцевые фильтры, в которых кольца представляли собой спиральные фазовые пластинки, расположенные таким образом, что разность фаз между соседними кольцами была равна π.

Такой пучок, сфокусированный широкоапертурной линзой (числовая апертура NA = 0,95) в слой магнитно-оптического материала, формировал иглоподобный фокус с диаметром FWHM = 0,38λ (FWHM=full width at half maximum – полная ширина по полуспаду) и глубиной 7,48λ. Похожим образом магнитнооптическая среда использовалась в работе [14], но в ней исследовался радиально-поляризованный оптический вихрь, и фокусировка осуществлялась 4π-системой. С помощью радиально-поляризованного оптического вихря, ограниченного кольцевой маской, и 4π фокусирующей системы представляется возможным получать цепочки фокусов длиной более 30λ [15]. Отметим, что в перечисленных выше работах исследование фокусировки радиально- или азимутально-поляризованных вихрей проводилось численно, преимущественно с помощью формул Ричардса– Вольфа. Единственная экспериментальная работа, которую удалось обнаружить [16], изучала фокусировку азимутально-поляризованного вихря линзой с числовой апертурой NA = 1,4. Полученное фокусное пятно имело площадь (0,089λ2) и было на 31 % меньше, чем пятно, полученное при фокусировке пучка с круговой поляризацией.

В данной работе изготовлена и исследуется бинарная четырёхзонная субволновая решётка-поляризатор размером 100×100 мкм в плёнке золота. Экспериментально продемонстрировано, что при падении на поляризатор линейно-поляризованного Гауссова пучка с длиной волны 532 нм отражённый от пластинки пучок обладает азимутальной поляризацией. Экспериментально показано, что внесение спиральной фазовой пластинки с топологическим зарядом n = 1 в полученный с помощью микрополяризатора азимутально-поляризованный пучок позволяет изменить распределение интенсивности в фокусе линзы с кольцевого на пиковое.

Численное моделирование работы поляризатора

Предложенный микрополяризатор состоит из четырёх зон (рис. 1 а ): в секторах, расположенных на рис. 1 справа, угол наклона рельефа к вертикальной оси составляет 70° и -70°, а период – 0,46 мкм, в левых секторах угол наклона составляет 40° и -40°, а период – 0,4 мкм. Размер поляризатора – 100× 100 мкм, высота рельефа – 110 нм.

На рис. 1б, в показаны схемы расположения решёток 4-зонного поляризатора для преобразования линейной поляризации (вертикальная стрелка) в азимутальную (рис. 1б) и радиальную (рис. 1в). Стрелками в каждом квадрате (квадраты пронумерованы 1 –4) показаны направления поляризации отражённого света. Цифрами показаны в градусах углы наклона решёток к вертикальной оси. Из рис. 1б, в видно, что нельзя простым поворотом на 90 градусов поляризатора на рис. 1б получить поляризатор на рис. 1в. Для этого надо переставить против часовой стрелки квадраты: 4-й на место 1-го, 1-й на место 2-го, 2-й на место 3-го и 3-й на место 4-го. Заметим также, что периоды в разных квадрантах разные.

Моделирование работы поляризатора (рис . 1 а , б ) проводилось следующим образом: сначала методом FDTD, реализованным в программе FullWAVE, рассчитывалось поле , отражённое от элемента. Считалось , что на элемент нормально к поверхности падает линейно-поляризованная плоская волна с длиной 532 нм.

Рис. 1. Изображение центральной части изготовленного микрополяризатора, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа (а), и схема расположения зон решётки-поляризатора для формирования азимутальной (б) и радиальной (в) поляризаций

Величина шага сетки метода FDTD была равна λ/30. Показатель преломления материала ступенек и основания n = 0,312 + 3,17 i (золото). Высота рельефа считалась равной 110 нм, а толщина основания – 150 нм. Вычисление распределения поля на значительном расстоянии от элемента осуществлялось с помощью интеграла Рэлея–Зоммерфельда, в котором распределение поля на расстоянии 200 нм от поверхности, рассчитанное методом FDTD, использовалось как начальное поле. На рис. 2 показано распределение интенсивности и стрелками направление поляризации, рассчитанное на расстоянии 5 мкм, 300 мкм и 500 мкм от начальной плоскости.

а)

Рис. 2. Распределение интенсивности и направление поляризации в пучке, отражённом от поляризатора на расстоянии 5,2 мкм (а), 300,2 мкм (б) и 500,2 мкм (в) от поверхности поляризатора. Размер изображения – 20×20 мкм (а, б), 40×40 мкм (в)

Стрелки на рис. 2 показывают направление поляризации. То, что некоторые стрелки показывают строго в обратную сторону, свидетельствует об ошибке на π при определении поляризации в данной точке. Волновой фронт отражённого от элемента пучка из плоского превращается в сферический на большом расстоянии, а плоскость наблюдения остаётся плоской. Из-за этого появляется дополнительный набег фазы, влияющий на качество определения направления поляризации с точностью до π. Заметим, что данный «сбой» поляризации происходит локально и не влияет на общий характер поляризации пучка.

Изготовление микрополяризатора и формирование азимутальной поляризации

Микрополяризатор на рис. 1а был изготовлен по технологии электронной литографии. На поверхность стеклянной подложки был нанесён слой золота толщиной 160–180 нм. Далее слой золота был покрыт слоем резиста, на который с помощью электронного луча (напряжение на трубке 30 кВ) проецировалась картина 4-секторной решётки-поляризатора. Затем выполнялась операция проявления, то есть образец травился в ксилене , который растворяет участки резиста, экспонированные пучком электронов . Далее с помощью реактивного ионного травления шаблон решётки-поляризатора трансформировался в слой золота, то есть травилась плёнка золота в тех местах, где не было резиста. При этом с помощью аргоновой плазмы частицы золота распылялись из участков , не защищённых резистом . На заключительном этапе остатки резиста удалялись с использованием кислородной плазмы, в результате чего шаблон поляризатора был как бы «выгравирован» на золоте . Время реактивного ионного травления было оптимизировано таким образом, чтобы достичь глубины травления золота примерно 110 нм .

Для проверки правильности работы изготовленного поляризатора линейно-поляризованный свет от лазера с длиной волны 532 нм (диаметр пучка 1 мм) фокусировался с помощью 10-кратного объектива O₁ на подложку с расположенными на ней решётками-поляризаторами (рис. 3). Размер пятна на микрополяризаторе контролировался с помощью увеличения расстояния от объектива О₁ до подложки с микрополяризаторами. Несмотря на то, что в таком случае микрополяризатор расположен не в перетяжке пучка и на элемент падает сферическая волна, результаты, полученные ниже, подтверждают правильность работы микрополяризатора. Объясняется это тем, что направление поляризации при переходе от плоского волнового фронта к сферическому не приобретёт составляющей вдоль азимутального угла (появляется только продольная составляющая, направленная вдоль оси распространения пучка), а, следовательно, угол между направлением поляризации в плоскости микрополяризатора и направление рельефа микрополяризатора остаются без изменения. Изображение поверхности 4-секторного поляризатора на ПЗС-камере формировалось с помощью линзы L 1 ( f ≈ 1,5 см, NA = 0,01). Для оценки состояния поляризации выходного пучка перед камерой помещался поляризатор (анали-

P1, P2 – линейные поляризаторы, BS – неполяризующий светоделительный кубик, O1 – 10× объектив (NA = 0,25), L1 – линза (f ≈ 1,5 см), ПЗС-камера

На рис. 4 показано изображение центральной части 4-зонного преобразователя поляризации, на который падает линейно-поляризованный Гауссов пучок с длиной волны 532 нм. Размер области засветки микрополяризатора немного меньше его размеров 100 × 100 мкм. Линейность поляризации излучения, падающего на микрополяризатор, после делительного кубика проверялась с помощью обычного поляризатора. При отражении от микрополяризатора осуществляется изменение состояния поляризации света.

Рис. 4. Изображение микрополяризатора (рис.3) в лазерном свете без использования выходного поляризатора

На рис. 5 показано изображение микрополяризатора (рис. 1 а ) при наличии перед регистрирующей камерой поляризатора P 2 , ориентированного под углом 0°, 90°, -45° и 45° по отношению к направлению поляризации света, падающего на элемент. На рис. 6 показан отражённый от микрополяризатора (рис. 1 а ) лазерный пучок в дальней зоне дифракции, то есть в фокусе линзы L₁ (изображение на камере получалось с помощью внесения 20× объектива).

б)

г)

Рис. 5. Изображение микрополяризатора (рис. 3) в лазерном свете. Перед камерой помещён выходной поляризатор (анализатор), повёрнутый на угол 0° (а), 90° (б), -45° (в) и 45° (г) к направлению поляризации падающего на пластинку излучения

На основании рис. 5 в , г можно количественно определить эффективность изготовленного микрополяризатора, вычислив в соответствующих квадрантах отношения максимальной энергии к минимальной. В частности, в первом квадранте такое отношение максимальной энергии (рис. 5 в ) к минимальной (рис. 5 г ) составило 185:1, во втором – 17:1, в нижних квадрантах – 6:1.

На основании рис. 6 можно сделать вывод, что 4-зонный микрополяризатор (рис. 1а) преобразует падающий на него линейно-поляризованный пучок света в азимутально-поляризованный пучок. Однако интенсивность в отражённом пучке распределена неравномерно по кольцу. Это объясняется тем, что 4-зонный микрополяризатор (рис. 1а) не обладает радиальной симметрией. Заметим, что в классической работе по острой фокусировке радиально-поляризо- ванного лазерного света [17] также использовался 4-секторный преобразователь поляризации, но состоящий из повёрнутых полуволновых пластинок.

б)

г)

Рис. 6. Изображение в дальней зоне лазерного пучка, отражённого от 4-секторного микрополяризатора.

Перед камерой помещён выходной поляризатор (анализатор), повёрнутый на угол 0° (а), 90° (б), -45° (в) и 45° (г) к направлению поляризации падающего на пластинку излучения. Размер кадров - 6,2 х 4,2 мм Таким образом, четырёх зон достаточно для формирования радиальной [17] или азимутальной поляризации. Заметим, что использование 4-зонного микрополяризатора в предыдущей работе авторов [8] позволило сфокусировать лазерный света в фокусное пятно с размером (0,35×0,38)λ. Хотя с помощью

4-зонного поляризатора из полуволновых пластин в [17] было получено фокусное пятно с диаметром 0,45X . Заметим, что в [18] также использовались 4- и 8-зонные поляризаторы из полуволновых пластин. Хотя картины дифракции, сформированные в ближнем поле такими поляризаторами, были невысокого качества (рис. 2в [18]). Ещё отметим, что исследуемые нами поляризаторы обладают преимуществом в технологичности изготовления по сравнению с набором полуволновых пластинок [18].

Заключение

В работе были получены следующие результаты . Впервые был рассчитан и изготовлен 4-зонный бинарный субволновый отражающий микропреобразователь поляризации в плёнке золота, осуществляющий преобразование линейно-поляризованного излучения в азимутально-поляризованное. Заметим, что 4-зонный микрополяризатор из субволновых решёток, преобразовывающий линейную поляризацию в радиальную [7], не совпадает с 4-зонным микрополяризатором (рис . 1), преобразовывающим линейную поляризацию в азимутальную. Численно с помощью FDTD-метода и экспериментально показано, что изготовленный 4-секторный микрополяризатор формирует азимутально-поляризованный пучок в ближней и дальней зоне дифракции.

Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ и грантов РФФИ (14-07-

31092, 14-07-97039, 14-29-07133, 15-07-01174, 15-4702492).