Оптическая сила, действующая на частицу, в присутствии обратного потока вблизи фокуса градиентной линзы

Abstract

Если вблизи поверхности (на расстоянии меньше 100 нм) высокоапертурной градиентной микролинзы из кремния с показателем преломления в виде гиперболического секанса, которая (линза) освещается лазерным излучением с длиной волны 1,55 мкм, на оптической оси расположить диэлектрическую наночастицу (диаметр около 70 нм), то ее будет притягивать к поверхности линзы с силой в доли пиконьютона. А если в линзе сделано углубление, то наночастица будет втягиваться в это углубление. Своего рода «оптический магнит». Если вблизи выходной поверхности такой градиентной линзы сформировать на оптической оси обратный поток энергии, то его присутствие приведет к тому, что диэлектрическая наночастица с поглощением будет «притягиваться» к поверхности с большей силой, чем такая же частица без поглощения. В отсутствие обратного потока обе частицы (с поглощением и без) притягиваются одинаково. Расчеты полей выполнены методом конечных разностей во временной области, а силы рассчитаны с помощью тензора напряжений Максвелла.

We show that a 70-nm dielectric nanoparticle placed on the optical axis near the surface (at a distance less than 100 nm) of a high-NA gradient microlens made of silicon, which is illuminated by a laser beam of 1.55 μm wavelength, is attracted to the lens surface with a piconewton force. The profile of the lens refractive index is described by a hyperbolic secant function. If a cut-out is made in the lens output surface, then the nanoparticle will be pulled into this cut-out, producing a kind of 'optical magnet'. If a reverse energy flow is to be generated on the optical axis near the output surface of such a gradient lens, this will lead to an absorbing dielectric nanoparticle being pulled toward the surface with a greater force than a similar non-absorbing particle. In the absence of a reverse flow, both absorbing and non-absorbing particles will be attracted to the surface with an equal force. The electromagnetic fields involved are calculated using a finite difference time domain (FDTD) method and the acting forces are calculated using a Maxwell stress tensor.