Controlling near-field focusing of a mesoscale binary phase plate in an optical radiation field with circular polarization

Y.E Geints,O.V Minin,I.V Minin,E.K Panina

doi:10.18287/2412-6179-co-878

Abstract

Binary Fresnel zone plates (ZP) are one of the most frequently used focusing elements of inplane optical schemes in micro- and nanophotonics. With a decrease in the diameter and focal distance of the ZP to meso-wavelength sizes, the parameters of the focusing region begin to be significantly influenced by features of the ZP design (material, thickness, relief depth). The spatial structure of the focal spot formed in the near-field is investigated by the numerical finite elements (FEM) simulations of the transmission of a plane optical wave through a mesoscale binary phase ZP. We show that there is a range of optimal etching depths of the ZP ridges and optimal thicknesses of the plate substrate, at which the best focusing of the incident optical wave is realized in terms of the maximum field intensity and the minimum size of the focal spot. In addition, a concept of a super-focusing binary phase ZP with an immersion layer in the form of a truncated cone fabricated of ZP material is proposed, which makes it possible to focus the circularly polarized light wave into a subdiffraction region with a half-width of about "lambda"/2n (n is the ZP refractive index).

Highlights

[7] Menon R, Gil D, Smith HI
With a decrease in the diameter and focal distance of the zone plates (ZP) to meso-wavelength sizes, the parameters of the focusing region begin to be significantly influenced by features of the ZP design
The spatial structure of the focal spot formed in the near-field is investigated by the numerical finite elements (FEM) simulations of the transmission of a plane optical wave through a mesoscale binary phase ZP

Summary

Фокусировка излучения ЗП на базе диэлектрической пластинки

1. COMSOL-модель пятизонной фазовой пластинки (пронумерованы красными цифрами) толщиной D, глубиной канавок de, вырезанных в диэлектрике с показателем преломления n1 (а); пространственный профиль интенсивности оптического поля |E|2 при освещении кварцевой ЗП излучением с круговой поляризацией со стороны подложки (б). 2. Поперечный (а) и продольный (б) профили интенсивности оптического поля при освещении фазовой (сплошные кривые) и амплитудной ЗП (пунктирные кривые) циркулярно поляризованным излучением. Следует отметить: несмотря на то, что выражения (1) и (2) получены из геометрооптических соображений и не учитывают волновую природу дифракции света, которая особенно ярко проявляется при масштабах рассеивателей, сравнимых с длиной волны излучения, эти выражения хорошо работают даже для субволновых значений фокусного расстояния [12]. Характер зависимости глубины фокуса DOF, определённого по половинной интенсивности, от фазового сдвига ступенек Что положение фокуса ЗП f при изменении толщины подложки варьирует достаточно слабо, в пределах 20 % около расчётной величины fd, а само фокальное пятно остается субволновым, w / 2

Фокусировка излучения фазовой ЗП с иммерсионным слоем

Вклад авторов