Оптический дифференциатор на основе трехслойной металлодиэлектрической структуры

Автор: Кашапов Артем Ильясович, Досколович Леонид Леонидович, Быков Дмитрий Александрович, Безус Евгений Анатольевич, Нестеренко Дмитрий Владимирович

Журнал: Компьютерная оптика @computer-optics

Рубрика: Дифракционная оптика, оптические технологии

Статья в выпуске: 3 т.45, 2021 года.

Бесплатный доступ

Рассмотрены оптические свойства резонансной структуры «металл-диэлектрик-металл», состоящей из верхнего металлического слоя, диэлектрического слоя и металлической подложки. С использованием модели многолучевой интерференции доказано, что коэффициент отражения указанной структуры может строго обращаться в нуль. Наличие нуля отражения позволяет использовать «металл-диэлектрик-металл»-структуру в качестве оптического дифференциатора. Приведенные результаты численного моделирования демонстрируют возможность оптического вычисления производной по пространственной координате и во времени. Полученные результаты могут найти применение при создании систем аналоговых оптических вычислений и оптической обработки информации.

Еще

Резонансная структура, металлодиэлектрическая система слоев, оптическое дифференцирование

Короткий адрес: https://sciup.org/140257396

IDR: 140257396 | DOI: 10.18287/2412-6179-CO-824

Список литературы Оптический дифференциатор на основе трехслойной металлодиэлектрической структуры

Silva, A. Performing mathematical operations with metamaterials / A. Silva, F. Monticone, G. Castaldi, V. Galdi, A. Alu, N. Engheta // Science. - 2014. - Vol. 343, Issue 6167. - P. 160-163.
Solli, D.R. Analog optical computing / D.R. Solli, B. Jalali, // Nature Photonics. - 2015. - Vol. 9, Issue 11. - P. 704-706.
Bykov, D.A. Temporal differentiation of optical signals using resonant gratings / D.A. Bykov, L.L. Doskolovich, V.A. Soifer // Optics Letters. - 2011. - Vol. 36, Issue 17. -P. 3509-3511. - DOI: 10.1364/0L.36.003509.
Bykov, D.A. Single-resonance diffraction gratings for timedomain pulse transformations: integration of optical signals / D.A. Bykov, L.L. Doskolovich, V.A. Soifer // Journal of the Optical Society of America A. - 2012. - Vol. 29, Issue 8. - P. 1734-1740. - DOI: 10.1364/J0SAA.29.001734.
Doskolovich, L.L. Spatial differentiation of optical beams using phase-shifted Bragg grating / L.L. Doskolovich, D.A. Bykov, E.A. Bezus, V.A. Soifer // Optics Letters. -2014. - Vol. 39, Issue 5. - P. 1278-1281. - DOI: 10.1364/OL.39.001278.
Bykov, D.A. Optical computation of the Laplace operator using phase-shifted Bragg grating / D.A. Bykov, L.L. Doskolovich, E.A. Bezus, V.A. Soifer // Optics Express. - 2014. - Vol. 22, Issue 21. - P. 25084-25092. -DOI: 10.1364/OE.22.025084.
Rivas, L.M. Experimental demonstration of ultrafast allfiber high-order photonic temporal differentiators / L.M. Rivas, S. Boudreau, Y. Park, R. Slavik, S. LaRochelle, A. Carballar, J. Azana // Optics Letters. - 2009. - Vol. 34, Issue 12. - P. 1792-1794.
Berger, N.K. Temporal differentiation of optical signals using a phase-shifted fiber Bragg grating / N.K. Berger, B. Levit, B. Fischer, M. Kulishov, D.V. Plant, J. Azana // Optics Express. - 2007. - Vol. 15, Issue 2. - P. 371-381.
Kulishov, M. Design of high-order all-optical temporal differentiators based on multiple-phase-shifted fiber Bragg gratings / M. Kulishov, J. Azana // Optics Express. - 2007. - Vol. 15, Issue 10. - P. 6152-6166.
Golovastikov, N.V. An optical differentiator based on a three-layer structure with a W-shaped refractive index profile / N.V. Golovastikov, L.L. Doskolovich, E.A. Bezus, D.A. Bykov, V.A. Soifer // Journal of Experimental and Theoretical Physics. - 2018. - Vol. 127, Issue 2. - P. 202209. - DOI: 10.1134/S1063776118080174.
Zhu, T. Plasmonic computing of spatial differentiation / T. Zhu, Y. Zhou, Y. Lou, H. Ye, M. Qiu, Z. Ruan, S. Fan // Nature Communications. - 2017. - Vol. 8, Issue 1. - P. 1-6.
Ruan, Z. Spatial mode control of surface plasmon polariton excitation with gain medium: from spatial differentiator to integrator / Z. Ruan // Optics Letters. - 2015. - Vol. 40, Issue 4. - P. 601-604.
Bykov, D.A. First-order optical spatial differentiator based on a guided-mode resonant grating / D.A. Bykov, L.L. Doskolovich, A.A. Morozov, V.V. Podlipnov, E.A. Bezus, P. Verma, V.A. Soifer // Optics Express. - 2018. - Vol. 26, Issue 8. -P. 10997-11006. - DOI: 10.1364/OE.26.010997.
Dong, Z. Optical spatial differentiator based on subwave-length high-contrast gratings / Z. Dong, J. Si, X. Yu, X. Deng // Applied Physics Letters. - 2018. - Vol. 112, Issue 18. - 181102.
Bykov, D.A. Time-domain differentiation of optical pulses in reflection and in transmission using the same resonant grating / D.A. Bykov, L.L. Doskolovich, N.V. Golovastikov, V.A. Soifer // Journal of Optics. - 2013. - Vol. 15, Issue 10. -105703. - DOI: 10.1088/2040-8978/15/10/105703.
Golovastikov, N.V. Resonant diffraction gratings for spatial differentiation of optical beams / N.V. Golovastikov, D.A. Bykov, L.L. Doskolovich // Quantum Electronics. -2014. - Vol. 44, Issue 10. - 984. - DOI: 10.1070/QE2014v044n10ABEH015477.
Youssefi, A. Analog computing by Brewster effect / A. Youssefi, F. Zangeneh-Nejad, S. Abdollahramezani, A. Khavasi // Optics Letters. - 2016. - Vol. 41, Issue 15. -3467. - DOI: 10.1364/OL.41.003467.
Нестеренко, Д.В. Оптическое дифференцирование на основе эффекта Брюстера / Д.В. Нестеренко, М.Д. Колесникова, А.В. Любарская // Компьютерная оптика. - 2018. - Т. 42, № 5. - С. 758-763. - DOI: 10.18287/2412-6179-2018-42-5-758-763.
Nesterenko, D.V. The dependence of the image edge detection directivity by Brewster effect on the gradient of inho-mogeneities of objects / D.V. Nesterenko, A.V. Lyubarskaya, M.D. Kolesnikova, V.A. Soifer // Journal of Physics: Conference Series. - 2019. - Vol. 1368. -022066. - DOI: 10.1088/1742-6596/1368/2/022066.
Kolesnikova, M.D. The resolution of optical image edge detection based on Brewster effect / M.D. Kolesnikova, A.V. Lyubarskaya, D.V. Nesterenko, V.A. Soifer // Journal of Physics: Conference Series. - 2019. - Vol. 1368. -022016. - DOI: 10.1088/1742-6596/1368/2/022016.
Nesterenko, D.V. Brewster effect in the broadband light reflectivity / D.V. Nesterenko, M.D. Kolesnikova, L.V. Lyubarskaya, V.A. Soifer // Journal of Physics: Conference Series. - 2020. - Vol. 1461. - 012116. - DOI: 10.1088/1742-6596/1461/1/012116.
Pors, A. Analog computing using reflective plasmonic metasurfaces / A. Pors, M.G. Nielsen, S.I. Bozhevolnyi // Nano Letters. - 2015. - Vol. 15, Issue 1. - P. 791-797.
Pors, A. Plasmonic metasurfaces for efficient phase control in reflection / A. Pors, S.I. Bozhevolnyi // Optics Express. -2013. - Vol. 21, Issue 22. - P. 27438-27451.
Chizari, A. Analog optical computing based on a dielectric meta-reflect array / A. Chizari, S. Abdollahramezani, M.V. Jamali, J.A. Salehi // Optics Letters. - 2016. -Vol. 41, Issue 15. - P. 3451-3454.
Shu, S. Triple-layer Fabry-Perot absorber with near-perfect absorption in visible and near-infrared regime / S. Shu, Z. Li, Y.Y. Li // Optics Express. - 2013. - Vol. 21, Issue 21. - P. 25307-25315.
Yan, M. Metal-insulator-metal light absorber: a continuous structure / M. Yan // Journal of Optics. - 2013. - Vol. 15, Issue 2. - 025006.
Cui, Y. Plasmonic and metamaterial structures as electromagnetic absorbers / Y. Cui, Y. He, Y. Jin, F. Ding, L. Yang, Y. Ye, S. Zhong, Y. Lin, S. He // Laser & Photonics Reviews. - 2014. - Vol. 8, Issue 4. - P. 495-520.
Ng, C. Plasmonic near-complete optical absorption and its applications / C. Ng, L. Wesemann, E. Panchenko, J. Song, T.J. Davis, A. Roberts, D.E. Gomez // Advanced Optical Materials. - 2019. - Vol. 7, Issue 14. - 1801660.
Li, Z. Large-area, lithography-free super absorbers and color filters at visible frequencies using ultrathin metallic films / Z. Li, S. Butun, K. Aydin // ACS Photonics. - 2015. -Vol. 2, Issue 2. - P. 183-188.
Wesemann, L. Selective near-perfect absorbing mirror as a spatial frequency filter for optical image processing / L. Wesemann, E. Panchenko, K. Singh, E. Della Gaspera, D.E. Gómez, T.J. Davis, A. Roberts // APL Photonics. -2019. - Vol. 4, Issue 10. - 100801.
Основы оптики / М. Борн, Э. Вольф. - Москва: Наука, 1973.
Li, L. Formulation and comparison of two recursive matrix algorithms for modeling layered diffraction gratings / L. Li // Journal of the Optical Society of America A. - 1996. -Vol. 13, Issue 5. - P. 1024-1035.
Doskolovich, L.L. Analytical design of flat-top transmission filters composed of several resonant structures / L.L. Doskolovich, N.V. Golovastikov, D.A. Bykov, E.A. Bezus // Optics Express. - 2019. - Vol. 27, Issue 19. -P. 26786-26798. - DOI: 10.1364/0E.27.026786.
Bykov, D.A. Coupled-wave formalism for bound states in the continuum in guided-mode resonant gratings / D.A. Bykov, E.A. Bezus, L.L. Doskolovich // Physical Review A. - 2019. - Vol. 99, Issue 6. - 063805. - DOI: 10.1103/PhysRevA.99.063805.
Refractive index database [Electronical Resource]. - URL: https://refractiveindex.info/ (request date 19.10.2020).
Moharam, M.G. Stable implementation of the rigorous coupled-wave analysis for surface-relief gratings: enhanced transmittance matrix approach / M.G. Moharam, D.A. Pommet, E.B. Grann, T.K. Gaylord // Journal of the Optical Society of America A. - 1995. - Vol. 12, Issue 5. -P. 1077-1086.

Еще

Статья научная