Возможность генерации терагерцовых и инфракрасных поверхностных плазмон-поляритонов с орбитальным угловым моментом на цилиндрических проводниках с помощью дифракционных оптических элементов

Возможность генерации терагерцовых и инфракрасных поверхностных плазмон-поляритонов с орбитальным угловым моментом на цилиндрических проводниках с помощью дифракционных оптических элементов

Автор: Князев Борис Александрович, Камешков Олег Эдуардович, Никитин Алексей Константинович, Павельев Владимир Сергеевич, Чопорова Юлия Юрьевна

Журнал: Компьютерная оптика @computer-optics

Рубрика: Дифракционная оптика, оптические технологии

Статья в выпуске: 6 т.43, 2019 года.

Бесплатный доступ

Рассмотрены три оптические системы, использующие дифракционные оптические элементы для генерации поверхностных плазмон-поляритонов с орбитальным угловым моментом на осесимметричных проводниках. Во всех трёх системах падающее излучение сначала преобразуется бинарными спиральными фазовыми аксиконами в совокупность сходящихся к оптической оси плоских волн. В зоне пересечения этих волн формируется «закрученный» Бесселев пучок. Подогнав диаметр первого кольца Бесселева пучка к диаметру цилиндрического проводника, можно генерировать вращающийся поверхностный плазмон-поляритон методом дифракции на краю ("end-fire coupling"). Использование дополнительной линзы позволяет преобразовать возбуждающий поверхностный плазмон-поляритон Бесселев пучок в закрученный кольцевой пучок, диаметр которого не зависит от топологического заряда пучка. В третьей схеме сходящиеся плоские волны «перехватываются» цилиндрической металлической дифракционной решёткой, формирующей закрученные поверхностные плазмон-поляритоны на присоединенном к решётке цилиндрическом проводнике. Приведены примеры возможного использования предлагаемых систем в экспериментах на терагерцовом лазере на свободных электронах.

Еще

Поверхностные плазмон-поляритоны, терагерцовое и инфракрасное излучение, бинарный фазовый аксикон, цилиндрическая решётка

Короткий адрес: https://sciup.org/140246547

IDR: 140246547   |   DOI: 10.18287/2412-6179-2019-43-6-992-1000

Список литературы Возможность генерации терагерцовых и инфракрасных поверхностных плазмон-поляритонов с орбитальным угловым моментом на цилиндрических проводниках с помощью дифракционных оптических элементов

  • Жижин, Г.Н. Спектроскопия поверхностных волн и свойства поверхности / Г.Н. Жижин, О.И. Капуста, М.А. Москалева, В.Г. Назин, В.А. Яковлев // Успехи физических наук. - 1975. - Т. 117(11). - С. 573-574.
  • Zhizhin, G.N. Surface electromagnetic wave propagation on metal surfaces / G.N. Zhizhin, M.A. Moskaleva, E.V. Shomina, V.A. Yakovlev. - In: Surface polaritons. Electromagnetic waves at surfaces and interfaces / ed. by V.M. Agranovich, D.L. Mills. - Chap. 3. - Amsterdam, New York, Oxford: North-Holland Publishing Company, 1982.
  • Raether, H. Surface plasmons on smooth and rough surfaces and on gratings / H. Raether. - Springer-Verlag, 1988. - P. 4-39.
  • Майер, С.А. Плазмоника: теория и приложения / С.А. Майер. - М., Ижевск: НИЦ "Регулярная и хаотическая динамика", 2011.
  • Gerasimov, V.V. Surface plasmon polaritons launched using a terahertz free-electron laser: propagation along a gold-ZnS-air interface and decoupling to free waves at the surface edge / V.V. Gerasimov, B.A. Knyazev, I.A. Kotel-nikov, A.K. Nikitin, V.S. Cherkassky, G.N. Kulipanov, G.N. Zhizhin // Journal of Optical Society of America B. -2013. - Vol. 30, Issue 8. - P. 2182-2190.
  • Leuthold, J. Plasmonic communications: light on a wire / J. Leuthold, C. Hoessbacher, S. Muehlbrandt, A. Melikyan, M. Kohl, C. Koos, W. Freude, V. Dolores-Calzadilla, M. Smit, I. Suarez, J. Martlnez-Pastor // Optics and Photonics News. - 2013. - Vol. 24, Issue 5. - P. 28-35.
  • Davis, T.J. Plasmonic circuits for manipulating optical information / T.J. Davis, D.E. Gomez, A. Roberts // Nanophotonics. - 2017. - Vol. 6, Issue 3. - P. 543-559.
  • Zhizhin, G.N. Edge effects due to propagation of surface IR / G.N. Zhizhin, M.A. Moskaleva, E.V. Shomina, V.A. Yakovlev // JETP Letters. - 1979. - Vol. 29, Issue 9. - P. 486-489.
  • Nazarov, M. THz surface plasmon jump between two metal edges / M. Nazarov, J.L. Coutaz, A. Shkurinov, F. Garet // Optics Communications. - 2007. - Vol. 277, Issue 1. - P. 33-39.
  • Gerasimov, V.V. Experimental investigations into capability of terahertz surface plasmons to bridge macroscopic air gaps / V.V. Gerasimov, B.A. Knyazev, A.K. Nikitin, G.N. Zhizhin // Optics Express. - 2015. - Vol. 23, Issue 26. - P. 33448-33459.
  • Stockman, M.I. Roadmap on plasmonics / M.I. Stockman, K. Kneipp, S.I. Bozhevolnyi, S. Saha, A. Dutta, J. Ndukaife, N. Kinsey, H. Reddy, U. Guler, V.M. Shalaev, A. Boltasse-va // Journal of Optics. - 2018. - Vol. 20, Issue 4. - 043001.
  • Кузьмин, А.В. Поверхностные электромагнитные волны: от видимого диапазона до микроволн / А.В. Кузьмин, Б.А. Князев // Вестник НГУ, сер. Физика. - 2007. - Т. 2, Вып. 1. - С. 109-122.
  • Begley, D.L. Propagation distances of surface electromagnetic waves in the far infrared / D.L. Begley, R.W. Alexander, C.A. Ward, R. Miller, R.J. Bell // Surface Science. -1979. - Vol. 81, Issue 1. - P. 245-251.
  • Koteles, E.S. Far infrared surface plasmon propagation / E.S. Koteles, W.H. McNeill // International Journal of Infrared, Millimeter and Terahertz Waves. - 1981. - Vol. 2. -P. 361-371.
  • Schlesinger, Z. Attenuation and coupling of far infrared surface plasmons / Z. Schlesinger, B.C. Webb, A.J. Sievers // Solid State Communications. - 1981. - Vol. 39. - P. 1035-1039.
  • Jeon, T.I. THz Zenneck surface wave (THz surface plasmon) propagation on a metal sheet / T.I. Jeon, D. Grischkowsky // Applied Physics Letters. - 2006. -Vol. 88, Issue 6. - 061113.
  • Nazarov, M. Surface plasmon THz waves on gratings / M. Nazarov, F. Garet, D. Armand, A. Shkurinov, J.L. Coutaz // Comptes Rendus Physique. - 2008. - Vol. 9, Issue 2. -P. 232-247.
  • Knyazev, B.A. Propagation of terahertz surface plasmon polaritons around a convex metal-dielectric interface / B.A. Knyazev, V.V. Gerasimov, A.K. Nikitin, I.A. Azarov, Y.Y. Choporova // Journal of Optical Society of America B. - 2019. - Vol. 36, Issue 6. - P. 1684-1689.
  • Wang, K. Metal wires for terahertz wave guiding / K. Wang, D.M. Mittleman // Nature. - 2004. - Vol. 432, Issue 7015. - P. 376-379.
  • Wang, K. Guided propagation of terahertz pulses on metal wires / K. Wang, D.M. Mittleman // Journal of Optical Society of America B. - 2005. - Vol. 22, Issue 9. - P. 2001-2008.
  • Van der Valk, N.C. Effect of a dielectric coating on terahertz surface plasmon polaritons on metal wires / N.C. Van der Valk, P.C. Planken // Applied Physics Letters. - 2005. -Vol. 87, Issue 7. - 071106.
  • Maier, S.A. Terahertz surface plasmon-polariton propagation and focusing on periodically corrugated metal wires / S.A. Maier, S.R. Andrews, L. Martin-Moreno, F.J. Garcia-Vidal // Physical Review Letters. - 2006. - Vol. 97, Issue 17. - 176805.
  • Fernandez-Dominguez, A.I. Spoof surface plasmon polari-ton modes propagating along periodically corrugated wires / A.I. Fernandez-Dominguez, L. Martin-Moreno, F.J. Garcia-Vidal, S.R. Andrews, S.A. Maier // IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. - 2008. - Vol. 14, Issue 6. - P. 1515-1521.
  • Ruting, F. Subwavelength chiral surface plasmons that carry tuneable orbital angular momentum / F. Ruting, A.I. Fernandez-Dominguez, L. Martin-Moreno, F.J. Garcia-Vidal // Physical Review B. - 2012. - Vol. 86, Issue 7. -075437.
  • Yao, H.Z. Wideband circularly polarized vortex surface modes on helically grooved metal wires / H.Z. Yao, S. Zhong // IEEE Photonics Journal. - 2015. - Vol. 7, Issue 6. - P. 1-7.
  • Fernandez-Dominguez, A.I. Terahertz surface plasmon polaritons on a helically grooved wire / A.I. Fernandez-Dominguez, C.R. Williams, F.J. Garcia-Vidal, L. Martin-Moreno, S.R. Andrews, S.A. Maier // Applied Physics Letters. - 2008. - Vol. 93, Issue 14. - 141109.
  • Edelmann, A. Coupling of terahertz radiation to metallic wire using end-fire technique / A. Edelmann, L. Moeller, J. Jahns // Electronics Letters. - 2013. - Vol. 49, Issue 14. - P. 884-886.
  • Edelmann, A. Shaping of electromagnetic fields for THz plasmonics / A. Edelmann, S. Helfert, J. Jahns // Proceedings of SPIE. - 2014. - Vol. 8999. - 899913.
  • Knyazev, B.A. Generation of terahertz surface plasmon po-laritons using nondiffractive Bessel beams with orbital angular momentum / B.A. Knyazev, Y.Y. Choporova, M.S. Mitkov, V.S. Pavelyev, B.O. Volodkin // Physical Review Letters. - 2015. - Vol. 115, Issue 16. - 163901. -
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.115.163901
  • Choporova, Yu.Yu. High-power Bessel beams with orbital angular momentum in the terahertz range / Yu.Yu. Choporova, B.A. Knyazev, G.N. Kulipanov, V.S. Pavelyev, M.A. Scheglov, N.A. Vinokurov, B.O. Volodkin, V.N. Zha-bin // Physical Review A. - 2017. - Vol. 96, Issue 2. -023846. -
  • DOI: 10.1103/PhysRevA.96.023846
  • Shevchenko, O.A. The Novosibirsk Free Electron Laser -unique source of terahertz and infrared coherent radiation / 0.A. Shevchenko, V.S. Arbuzov, N.A. Vinokurov, P.D. Vob-ly, V.N. Volkov, Ya.V. Getmanov, Ya.I. Gorbachev, V. Davidyuk, O.I. Deychuly, E.N. Dementyev, B.A. Dovzhenko, B.A. Knyazev, E.I. Kolobanov, A.A. Kondakov, V.R. Kozak, E.V. Kozyrev, V.V. Kubarev, G.N. Kulipanov, E.A. Kuper, I.V. Kuptsov, G.Ya. Kurkin, S.A. Krutikhin, L.E. Medvedev, S.V. Motygin, V.K. Ovchar, V.N. Osipov, V.M. Petrov, A.M. Pilan, V.M. Popik V.V. Repkov, T.V. Sa-likova, I.K. Sedlyarov, S.S. Serednyakov, A.N. Skrinsky, S.V. Tararyshkin, A.G. Tribendis, V.G. Tcheskidov, K.N. Chernov, M.A. Scheglov // Physics Procedia. - 2016. -Vol. 84. - P. 13-18.
  • Knyazev, B.A. Recent experiments at NovoFEL user stations / B.A. Knyazev, I.A. Azarov, E.N. Chesnokov, Yu.Yu. Choporova, V.V. Gerasimov, Ya.I. Gorbachev, Ya.V. Getmanov, B.G. Goldenberg, O.E. Kameshkov, P.V. Koshlyakov, I.A. Kotelnikov, A.S. Kozlov, V.V. Kubarev, G.N. Kulipanov, S.B. Malyshkin, A.K. Nikitin, P.A. Nikitin, N.D. Osintseva, V.S. Pavelyev, S.E. Peltek, A.K. Petrov, V.M. Popik, T.V. Salikova, M.A. Scheglov, S.S. Seredniakov, V.N. Shastin, O.A. Shevchenko, V.A. Shvets, D.A. Skorokhod, A.N. Skrin-sky, S.L. Veber, N.A. Vinokurov, V.B. Voloshinov, R.Kh. Zhukavin // EPJ Web of Conferences. - 2018. -Vol. 195. - 00002. -
  • DOI: 10.1051/epjconf201819500002
  • Андреев, Н.Е. Формирование трубчатых бесселевых пучков света высокой мощности / Н.Е. Андреев, C.С. Бычков, В.В. Котляр, Л.Я. Марголин, Л.Н. Пятницкий, П.Г. Серафимович // Квантовая электроника. - 1996. - Т. 23, № 2. - С. 130-134.
  • Князев, Б.А. Пучки фотонов с ненулевой проекцией орбитального момента импульса: новые результата: / Б.А. Князев, В.Г. Сербо // Успехи физических наук. -2018. - Т. 188, Вып. 5. - С. 508-539.
  • Kozlova, E.S. Tight focusing of laser light using a surface plasmon polariton in a silver nano-strip and nano-ring on silica glass / E.S. Kozlova, V.V. Kotlyar // Компьютерная оптика. - 2016. - Т. 40, № 5. - С. 629-634. -
  • DOI: 10.18287/2412-6179-2016-40-5-629-634
  • Zhan, Q. Cylindrical vector beams: from mathematical concepts to applications / Q. Zhan // Advances in Optics and Photonics. - 2009. - Vol. 1. - P. 1-57.
  • Chang, L. Analysis of the fiber-waveguide coupling efficiency and the resulting polarization dependent loss / L. Chang, X. Sun, H. Shang, P. Liu, T.J. Hall, D. Sun // 2017 International Conference on Numerical Simulation of Optoelectronic Devices (NUSOD). - 2017. - P. 155-156. -
  • DOI: 10.1109/NUSOD.2017.8010038
  • Fisher, C. End-fire coupling efficiencies of surface plasmons for silver, gold, and plasmonic nitride compounds / C. Fisher, L.C. Botten, C.G. Poulton, R.C. McPhedran, C.M. de Sterke // Journal of Optical Society of America B. - 2016. - Vol. 33, Issue 6. - P. 1044-1054.
  • Gerasimov, V.V. Growth of terahertz surface plasmon propagation length due to thin-layer dielectric coating / V.V. Gerasimov, B.A. Knyazev, A.G. Lemzyakov, A.K. Nikitin, G.N. Zhizhin // Journal of Optical Society of America B. - 2016. - Vol. 33, Issue 11. - P. 2196-2203.
  • Arrizon, V. Efficient generation of an arbitrary nondiffracting Bessel beam employing its phase modulation / V. Arrizon, D. Sanchez-de-La-Llave, U. Ruiz, G. Mendez // Optics Letters. - 2009. - Vol. 34. - P. 1456-1458.
  • Khonina, S.N. 3D transformations of light fields in the focal region implemented by diffractive axicons / S.N. Khonina, A.P. Porfirev // Applied Physics B. - 2018. -Vol. 124. - 191. -
  • DOI: 10.1007/s00340-018-7060-4
  • Syubaev, S. Chirality of laser-printed plasmonic nanoneedles tunable by tailoring spiral shape pulses / S. Syubaev, A. Zhizhchenko, O. Vitrik, A. Porfirev, S. Fomchenkov, S. Khonina, S. Kudryashov, A. Kuchmizhak // Applied Surface Science. - 2019. - Vol. 470. - P. 526-534. -
  • DOI: 10.1016/j.apsusc.2018.11.128
  • Mukina, L.S. Propagation of THz plasmon pulse on corrugated and flat metal surface / L.S. Mukina, M.M. Nazarov, A.P. Shkurinov // Surface Science. - 2006. - Vol. 600, Issue 20. - P. 4771-4776.
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp