CN112305786B - 基于圆环状粒子阵列的矢量近场光调控装置及方法 - Google Patents
基于圆环状粒子阵列的矢量近场光调控装置及方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN112305786B CN112305786B CN202011155692.9A CN202011155692A CN112305786B CN 112305786 B CN112305786 B CN 112305786B CN 202011155692 A CN202011155692 A CN 202011155692A CN 112305786 B CN112305786 B CN 112305786B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- particle
- array
- field
- polarization
- light
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000002245 particle Substances 0.000 title claims abstract description 164
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 17
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 title claims description 8
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims abstract description 42
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims abstract description 24
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims abstract description 10
- 239000002923 metal particle Substances 0.000 claims description 15
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 5
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000010931 gold Substances 0.000 claims description 4
- 238000011835 investigation Methods 0.000 claims description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 4
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 4
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000004332 silver Substances 0.000 claims description 4
- YBJHBAHKTGYVGT-ZKWXMUAHSA-N (+)-Biotin Chemical compound N1C(=O)N[C@@H]2[C@H](CCCCC(=O)O)SC[C@@H]21 YBJHBAHKTGYVGT-ZKWXMUAHSA-N 0.000 claims description 3
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 claims description 3
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 claims description 3
- FEPMHVLSLDOMQC-UHFFFAOYSA-N virginiamycin-S1 Natural products CC1OC(=O)C(C=2C=CC=CC=2)NC(=O)C2CC(=O)CCN2C(=O)C(CC=2C=CC=CC=2)N(C)C(=O)C2CCCN2C(=O)C(CC)NC(=O)C1NC(=O)C1=NC=CC=C1O FEPMHVLSLDOMQC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 10
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 6
- 238000003491 array Methods 0.000 description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 3
- 239000002082 metal nanoparticle Substances 0.000 description 3
- 230000004044 response Effects 0.000 description 3
- 239000012798 spherical particle Substances 0.000 description 3
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 2
- 239000004973 liquid crystal related substance Substances 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- -1 (2) the kind (size Substances 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 238000000149 argon plasma sintering Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 238000005290 field theory Methods 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 1
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000012576 optical tweezer Methods 0.000 description 1
- 238000001259 photo etching Methods 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- 238000002198 surface plasmon resonance spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour
- G02F1/0126—Opto-optical modulation, i.e. control of one light beam by another light beam, not otherwise provided for in this subclass
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/0009—Materials therefor
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour
- G02F1/0102—Constructional details, not otherwise provided for in this subclass
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour
- G02F1/0121—Operation of devices; Circuit arrangements, not otherwise provided for in this subclass
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
- Y02B20/00—Energy efficient lighting technologies, e.g. halogen lamps or gas discharge lamps
- Y02B20/40—Control techniques providing energy savings, e.g. smart controller or presence detection
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Nonlinear Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
Abstract
本发明涉及一种基于圆环状粒子阵列的矢量近场光调制装置及方法，利用周期性排列的粒子阵列，在具有同样对称性的矢量光场的激发下，阵列中的每一个粒子可以等效为一个电偶极子。基于经典的电磁理论，构造了一个与圆环阵列所对应的“阵列因子”，来将每一个粒子的极化与入射光场联系起来。在此基础上，可以准确地计算任意阵列的近场。通过改变阵列结构和粒子的参数，以及激发场的参数，可以产生、调制阵列后方的近场分布。
Description
技术领域
本发明属于矢量光场调控技术领域，涉及一种基于圆环状粒子阵列的矢量近场光调控装置，还涉及一种基于圆环状粒子阵列的矢量近场光调控方法。
背景技术
随着纳米光子学和表面等离激元学的不断发展，各种光学元器件的尺度也越来越小，对光场的调控的要求也越来越精细。基于需要在小范围精确地调控光场，以改变光场的强度、偏振、位相等因素；各种基于微纳米微结构的各种光子学器件、芯片也不断被提出和开发，包括基于超表面结构的各种光学芯片、各种微纳米天线阵列、高灵敏度传感器、突破衍射极限的光学显微成像芯片等等。
近场光是相对于传统的远场光而言的，通常情况下，只有距离物体表面一个波长以内的光场才被称为近场光，通过探测近场光可以获得亚波长的信息，从而突破光学的衍射极限，比如近场扫描光学显微镜。就目前发展现状而言，近场光可以实现纳米量级的分辨率，但是其在粒子操纵、近场传感等方面的应用潜力并没有开发。目前，并没有很多有效的“操控”近场光的工具，而矢量近场光的“操控”工具则更加稀少。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供了一种基于圆环状粒子阵列的矢量近场光调控装置，可以精确求解近场光分布，用于产生和调制种类非常丰富的近场光场。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于圆环状粒子阵列的矢量近场光调控装置，包括入射光和若干个相同的纳米金属粒子；
所述若干个纳米金属粒子对称式排列成一个圆环的粒子阵列，相邻粒子相对与阵列中心的夹角相同，每一个粒子的朝向与粒子到中心的连线的夹角也相同，且整个阵列分布在一个二维平面上；
入射光入射在阵列正中心，在入射光的激发下，在阵列的两侧近场区域产生近场光场。
进一步的，纳米金属粒子的形状为球形或椭球形。
进一步的，纳米金属粒子的材料为金或者银。
进一步的，入射光场为矢量光场，其光束中心与粒子阵列的对称中心重合。
相应的，本发明还提供了一种基于圆环状粒子阵列的矢量近场光调控方法，包括：
将若干个相同的纳米金属粒子对称式排列成一个圆环的粒子阵列，使得相邻粒子相对与阵列中心的夹角相同，每一个粒子的朝向与粒子到中心的连线的夹角也相同，且整个阵列分布在一个二维平面上；
将入射光入射在阵列正中心，在入射光的激发下，在阵列的两侧近场区域产生近场光场。
进一步的，近场光场的分布计算过程为：
将纳米金属粒子等效为电偶极子，通过引入圆环状的阵列因子来计算粒子的极化，在通过所有粒子的极化来计算阵列附近的近场光分布。
进一步的，如果粒子阵列可以调节，则通过改变粒子个数、种类、粒子的朝向和阵列半径来调制近场光；如果粒子阵列固定，则通过改变入射光的偏振、拓扑荷参数来调制近场光。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明基于这种圆环状排列的金属纳米粒子的微结构，可以产生多种多样的结构的近场光分布，调制手段丰富，而基于阵列因子给出的理论模型可以非常准确的描述这种结构的调制效果。这一技术可以用于纳米量级的超分辨、粒子操控、近场传感以及光通信等领域。
附图说明
图1是本发明装置的结构示意图；
图2是圆环状粒子阵列的几何模型；
图3是圆环粒子阵列在不同矢量光场照射下，其后方1um处的光场分布图；
图4是不同圆环粒子阵列在矢量光场照射下，其后方1um处的光场分布图；
图5是圆环粒子阵列在不同矢量光场照射下，其后方不同距离处的光场分布图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明基于描述金属纳米粒子的长波近似和精确的电磁场理论，提出一种基于圆环状规则排列的粒子阵列结构和相应的理论模型，该理论模型精确地描述了该结构对矢量光场的调制作用，并且通过MEMS等方式改变该结构(MEMS是指微机电系统，可以用MEMS来改变粒子阵列的结构，比如每一个粒子都由一个MEMS控制，而这些MEMS可以同步地旋转每一个粒子，从而改变了阵列中粒子的朝向)，可以对微小矢量光场进行实时调制。
本发明的一种基于圆环状粒子阵列的矢量近场光调控装置，参见图1所示，包括入射光和若干个相同的纳米金属粒子，若干个纳米金属粒子对称式排列成一个圆环的粒子阵列，相邻粒子相对与阵列中心的夹角相同，每一个粒子的朝向与粒子到中心的连线的夹角也相同，且整个阵列分布在一个二维平面上。
入射光入射在阵列正中心，在入射光的激发下，在阵列的两侧近场区域产生近场光场。
在具体应用中，这些粒子肯定需要支撑，比如长在某一个衬底上，不管什么方式，只要粒子排列成这种对称结构，都满足本发明的需求。
纳米金属粒子可以是球形、也可以是椭球形，材料可以是金或者银。因为金和银可以激发表面等离子体共振，从而使辐射更强，其它金属要弱一些，粒子大小没有明确的限制，一般情况下只需要小于波长即可。
入射光场为矢量光场，其光束中心必须与粒子阵列的对称中心重合，确保每一个粒子处的入射光场都相同，具有相同的振幅、偏振；其位相可以不一样，但要保证相邻粒子之间的位相差相同。
该理论模型的特点是：如果知道单个粒子对光场的响应，那么就可以知道整个阵列对光场的响应而无需借助任何的数值模拟手段。而这一结构可以有效的产生并且调制近场光的分布，调制范围非常大。
该发明的原理在于每一个纳米金属粒子在可见光波段的电场作用下，都可以等效为一个电偶极子，而这个电偶极子的辐射场又会同时改变阵列中其它粒子所处位置的电场，因此每个粒子的辐射场不仅仅与入射场相关，还取决于其它粒子的辐射场，而由于结构的对称性，每一个粒子最终的辐射场应该是相关的。
本发明提出的模型，引入一个圆环状的阵列因子来将阵列中每一个粒子的极化与入射场直接联系起来，可以根据具体的应用场景和需求，计算出所需要的阵列模型，并且优化阵列的各个参数。
利用光刻、离子束刻蚀、各种化学合成方法来加工制备所需的圆环状粒子阵列，可以根据需要将阵列集成到光学芯片上。
根据模型的计算结果，用相应的矢量光场来激发该粒子阵列，既可以在阵列的近场区域获得所需要的近场光分布。
理论模型：本发明提出一个结构产生近场光，并且给出了该结构产生近场光的精确模型，这些公式就是这个模型，利用模型计算最终结果，从而可以根据需求来设计结构。
1)矢量光的描述
矢量光束的偏振可以用下列琼斯矩阵来表示
其中角是极坐标系中的幅角。如果θ0＝0，该矢量光为径向的矢量光束；如果θ0＝π/2，则该矢量光为角向矢量光束；在一般情况下0<θ0<π/2，矢量光束的偏振方向与径向eρ之间的夹角为θ0。
2)圆环粒子阵列的极化
纳米金属粒子为椭球形，基于长波近似，假设椭球粒子的长半轴为a，其剩下的两个短半轴为b，长半轴与径向eρ之间的夹角为φ。
则粒子在外场(这里的外场，就是粒子所处的实际场，是激发场与其它粒子的极化场的线性叠加)下，沿长轴方向的极化为
沿短轴方向的极化为
其中，是沿着粒子不同轴向的极化强度，εp,εm分别是粒子的介电系数和环境的介电系数，αa,αb是极化率，/>是沿着粒子不同轴的外场。La,Lb是粒子的形状参数，可以在光散射理论的经典教材里查到。
上面的公式是单个粒子存在的公式，在我们的模型中，困难之处在于不知道“外场”，虽然我们有激发场，但是激发场不等于外场，因为阵列中其它粒子产生的场也会作用与所研究的这个粒子，本模型主要就是解决这个问题。下面就是解决每个粒子的实际外场的问题。
根据模型，假设有N个粒子排成了圆环状，因此相邻的两个粒子之间的夹角为2π/N，并且每一个粒子的长轴与径向之间存在一个夹角，假设这个夹角的大小为φ。
本发明的关键在于，如果入射光是一个矢量光场，并且入射光的中心与粒子阵列的中心重合，那么每一个粒子所处的环境是完全一致的，因此每一个粒子给出的辐射场是完全相同的，在这种条件下，可以利用完全解析的方式来求解整个阵列对入射光的响应。
通过引入一个阵列因子，阵列中的每一个粒子的极化与粒子单独存在时的极化之间的关系如下式描述
上式中αArray是阵列中粒子的极化率，α是不存在阵列时单个粒子的极化率，上式给出了两者之间的关系，通过阵列因子S相联系。
阵列因子由下式计算
上式中k是波矢，rj是第j个粒子到考察粒子的距离，而θj是第j个粒子的极化相对于考察粒子的夹角。
而通过整个阵列的极化，可以计算阵列后方的近场分布。
这个结构可以产生近场光不需要证明，因为偶极子场以距离的平方衰减，下面的几个案例的目的主要是展示我们可以通过一些参数的调节来有效改变近场光的分布。案例1是调节入射光场，案例2是调节阵列结构，案例3是在什么都不调节的情况下，都可以获得非常丰富的近场光分布。
案例1：调制矢量光的参数θ0
假设粒子是球形粒子，而粒子阵列不变，改变入射的矢量光的极化方向，即公式(1)中的θ0角，假设粒子阵列的个数为6个，粒子距离阵列中心的距离为1um。则阵列后方的光场分布如图3所示：四幅图对应的矢量光的参数分别为θ0＝0，π/6，π/3，π/2。入射光场由前面给出的琼斯矩阵描述。
这里固定阵列结构不变，粒子数为6，粒子朝向为45度角，而改变激发的矢量光场的偏振方向。这个案例说明，即使粒子阵列完成以后，不能发生变化了，我们仍旧可以通过调节入射光场的参数来产生各种分布的近场光。
案例2：调制粒子阵列的个数
假设照射的矢量光为θ0＝π/4的光束，粒子仍旧为球形粒子，但是粒子的个数发生变化，随着粒子个数的不同，粒子后方的光场分布会不同，观察距离为1um。则阵列后方的光场分布如图4所示：四幅图对应的环状结构中粒子的个数分别为3、5、8、10。这个案例是应用于被光镊效应俘获的粒子，现在的技术可以在一些流体里用光镊效应俘获粒子并且进行操控，这种情况下，可以增加或者减少粒子的数量。这个案例表明，在一定的入射光场下，改变粒子的数量可以导致结构的近场光的结构变化。
案例3：近场光的探测距离
假设照射的矢量光为θ0＝π/4的光束，粒子仍旧为球形粒子，但是粒子个数为6个，在不同的观察距离观察到光场的不同。则阵列后方的光场分布如图5所示：四幅图对应的光场传输距离分别为0.3um，0.6um，0.9um，1.2um。
总结：由上面3个案例可以看出，圆环状粒子阵列具有(1)粒子个数，(2)粒子种类(大小、材质、形状)，(3)阵列半径，(4)粒子朝向等多个调节参数。同时，激发的矢量光场具有偏振、拓扑荷数等参数进行调节，而本专利提出的解析模型可以精确求解上述各种情况下的近场光分布。因此本专利可以用于产生和调制种类非常丰富的近场光场。
基于这种圆环状排列的金属纳米粒子的微结构，可以产生多种多样的结构的近场光分布，调制手段丰富，而基于阵列因子给出的理论模型可以非常准确的描述这种结构的调制效果。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于圆环状粒子阵列的矢量近场光调控装置，其特征是，包括入射光和若干个相同的纳米金属粒子；
所述若干个相同的纳米金属粒子对称式排列成一个圆环的粒子阵列，相邻粒子相对与阵列中心的夹角相同，每一个粒子的朝向与粒子到中心的连线的夹角也相同，且整个阵列分布在一个二维平面上；
入射光入射在阵列正中心，在入射光的激发下，在阵列的两侧近场区域产生近场光场，入射光场为矢量光场，其光束中心与粒子阵列的对称中心重合，纳米金属粒子的形状为椭球形，
近场光场的分布计算过程为：用于激发阵列的矢量光束的偏振可以用下列琼斯矩阵来表示
其中角是极坐标系中的幅角；当θ0＝0，该矢量光为径向的矢量光束；当θ0＝π/2，则该矢量光为角向矢量光束；当0<θ0<π/2，矢量光束的偏振方向与径向eρ之间的夹角为θ0；
圆环的粒子阵列沿长轴方向的极化为：
沿短轴方向的极化为：
其中，椭球粒子的长半轴为a，椭球粒子的短半轴为b，
是沿着粒子长半轴向的极化强度，/>是沿着粒子短半轴向的极化强度，
εp是粒子的介电系数，εm是环境的介电系数；
αa是沿着粒子长半轴极化率分量，αb是沿着粒子短半轴极化率分量；
是沿着粒子长半轴的外场；/>是沿着粒子短半轴的外场；
La是沿着粒子长半轴的形状参数，Lb是沿着粒子短半轴的形状参数；
引入一个阵列因子，阵列中的每一个粒子的极化与粒子单独存在时的极化之间的关系如下式描述
其中：αArray是阵列中粒子的极化率，α是不存在阵列时单个粒子的极化率，αa和αb是α不同方向上的分量；
阵列因S子由下式计算
上式中k是波矢，rj是第j个粒子到考察粒子的距离，而θj是第j个粒子的极化相对于考察粒子的夹角。
2.根据权利要求1所述的一种基于圆环状粒子阵列的矢量近场光调控装置，其特征是，纳米金属粒子的材料为金或者银。
3.一种基于圆环状粒子阵列的矢量近场光调控方法，其特征是，包括：
将若干个相同的纳米金属粒子对称式排列成一个圆环的粒子阵列，使得相邻粒子相对与阵列中心的夹角相同，每一个粒子的朝向与粒子到中心的连线的夹角也相同，且整个阵列分布在一个二维平面上；
将入射光入射在阵列正中心，在入射光的激发下，在阵列的两侧近场区域产生近场光场；
近场光场的分布计算过程为：用于激发阵列的矢量光束的偏振可以用下列琼斯矩阵来表示
其中角是极坐标系中的幅角；当θ0＝0，该矢量光为径向的矢量光束；当θ0＝π/2，则该矢量光为角向矢量光束；当0<θ0<π/2，矢量光束的偏振方向与径向eρ之间的夹角为θ0；
圆环的粒子阵列沿长轴方向的极化为：
沿短轴方向的极化为：
其中，椭球粒子的长半轴为a，椭球粒子的短半轴为b，
是沿着粒子长半轴向的极化强度，/>是沿着粒子短半轴向的极化强度，
εp是粒子的介电系数，εm是环境的介电系数；
αa是沿着粒子长半轴极化率分量，αb是沿着粒子短半轴极化率分量；
是沿着粒子长半轴的外场；/>是沿着粒子短半轴的外场；
La是沿着粒子长半轴的形状参数，Lb是沿着粒子短半轴的形状参数；
引入一个阵列因子，阵列中的每一个粒子的极化与粒子单独存在时的极化之间的关系如下式描述
其中：αArray是阵列中粒子的极化率，α是不存在阵列时单个粒子的极化率，αa和αb是α不同方向上的分量；
阵列因S子由下式计算
上式中k是波矢，rj是第j个粒子到考察粒子的距离，而θj是第j个粒子的极化相对于考察粒子的夹角。
4.根据权利要求3所述的一种基于圆环状粒子阵列的矢量近场光调控方法，其特征是，近场光场的分布计算过程为：
将纳米金属粒子等效为电偶极子，通过引入圆环状的阵列因子来计算粒子的极化，在通过所有粒子的极化来计算阵列附近的近场光分布。
5.根据权利要求3所述的一种基于圆环状粒子阵列的矢量近场光调控方法，其特征是，当粒子阵列可以调节，则通过改变粒子个数、种类、粒子的朝向和阵列半径来调制近场光；当粒子阵列固定，则通过改变入射光的偏振、拓扑荷参数来调制近场光。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202011155692.9A CN112305786B (zh) | 2020-10-26 | 2020-10-26 | 基于圆环状粒子阵列的矢量近场光调控装置及方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202011155692.9A CN112305786B (zh) | 2020-10-26 | 2020-10-26 | 基于圆环状粒子阵列的矢量近场光调控装置及方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN112305786A CN112305786A (zh) | 2021-02-02 |
| CN112305786B true CN112305786B (zh) | 2023-10-20 |
Family
ID=74330758
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202011155692.9A Active CN112305786B (zh) | 2020-10-26 | 2020-10-26 | 基于圆环状粒子阵列的矢量近场光调控装置及方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN112305786B (zh) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TW201104238A (en) * | 2009-07-31 | 2011-02-01 | Din-Ping Tsai | Tunable silver nanoparticle surface plasmon waveguide |
| CN102352082A (zh) * | 2011-07-15 | 2012-02-15 | 宁波大学 | 一种微米/亚微米金纳米粒子环和金环的制备方法 |
| JP2012137485A (ja) * | 2010-12-08 | 2012-07-19 | Osaka Prefecture Univ | 金属ナノ粒子集積構造体を利用した圧力検出装置、温度検出装置、圧力検出方法、および温度検出方法 |
| CN106990547A (zh) * | 2017-05-16 | 2017-07-28 | 南开大学 | 海豚形元胞圆阵列超表面 |
-
2020
- 2020-10-26 CN CN202011155692.9A patent/CN112305786B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TW201104238A (en) * | 2009-07-31 | 2011-02-01 | Din-Ping Tsai | Tunable silver nanoparticle surface plasmon waveguide |
| JP2012137485A (ja) * | 2010-12-08 | 2012-07-19 | Osaka Prefecture Univ | 金属ナノ粒子集積構造体を利用した圧力検出装置、温度検出装置、圧力検出方法、および温度検出方法 |
| CN102352082A (zh) * | 2011-07-15 | 2012-02-15 | 宁波大学 | 一种微米/亚微米金纳米粒子环和金环的制备方法 |
| CN106990547A (zh) * | 2017-05-16 | 2017-07-28 | 南开大学 | 海豚形元胞圆阵列超表面 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 殷澄等.金属粒子阵列共振的偏振特性.金属粒子阵列共振的偏振特性.2015,第第64卷卷(第第16期期),第164202-1-164202-5页. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN112305786A (zh) | 2021-02-02 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Yuan et al. | Far-field superoscillatory metamaterial superlens | |
| US9019468B2 (en) | Interference projection exposure system and method of using same | |
| Cheng et al. | Achromatic terahertz Airy beam generation with dielectric metasurfaces | |
| Guo et al. | Optical tweezers technique and its applications | |
| Rotenberg et al. | Magnetic and electric response of single subwavelength holes | |
| CN113272918A (zh) | 用于使用投射光控制粒子的系统和方法 | |
| Guo et al. | Review of the functions of Archimedes’ spiral metallic nanostructures | |
| Ertorer et al. | Large area periodic, systematically changing, multishape nanostructures by laser interference lithography and cell response to these topographies | |
| Karpeev et al. | Generation of nonuniformly polarised vortex Bessel beams by an interference polariser | |
| Yuan et al. | A dynamic plasmonic manipulation technique assisted by phase modulation of an incident optical vortex beam | |
| Prajapati et al. | Simultaneous weak measurement of angular and spatial Goos–Hänchen and Imbert-Fedorov shifts | |
| CN112305786B (zh) | 基于圆环状粒子阵列的矢量近场光调控装置及方法 | |
| Mohammadnezhad et al. | Theoretical simulation of Gaussian beam interferometric optical tweezers with symmetrical construction | |
| CN108983443B (zh) | 一种产生无衍射光学涡旋晶格的超颖表面及其设计方法 | |
| Guo et al. | Superlens-enhanced laser interference lithography | |
| Masajada et al. | Optical vortex dynamics induced by vortex lens shift—optical system error analysis | |
| Sergeev et al. | Functional dielectric microstructure for photonic nanojet generation in reflection mode | |
| Li et al. | Switchable optical trapping based on vortex-pair beams generated by a polarization-multiplexed dielectric metasurface | |
| Zhang et al. | Simultaneous trapping and manipulation of micro-specimens using an all-dielectric one-dimensional photonic crystal | |
| Cao et al. | Superposition of two fractional optical vortices and the orbital angular momentum measurement by a deep-learning method | |
| Han | Scattering of a high-order Bessel beam by a spheroidal particle | |
| CN102402006A (zh) | 一种用于产生空心光束的位相型光瞳滤波器 | |
| Zhou et al. | Water-immersion supercritical metalens | |
| Asadchikov et al. | Regular Near-Surface Rod Microstructures and the Generation of Plasmon-Resonance for Detecting Mid-IR Radiation | |
| Deng et al. | Dynamic wavefront transformer based on a two-degree-of-freedom control system for 6-kHz mechanically actuated beam steering |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |