Управление ближнепольной фокусировкой мезоразмерной бинарной фазовой пластинки в поле оптического излучения с круговой поляризацией

Abstract

Бинарные зонные пластики Френеля являются одними из наиболее часто используемых фокусирующих элементов плоскостных оптических схем в микро- и нанофотонике. При уменьшении диаметра и фокального расстояния зонных пластин до мезоволновых размеров на параметры области фокусировки начинают существенно влиять особенности конструктивного дизайна зонных пластин (материал, толщина, глубина рельефа). Путём численного FEM-моделирования прохождения оптической волны через бинарную фазовую зонную пластну исследована пространственная структура формирующегося в ближнем поле фокуса. Показано, что существует диапазон оптимальной глубины травления канавок пластинки, а также толщин подложки, при которых реализуется наилучшая фокусировка падающей оптической волны в плане максимальной интенсивности поля и минимального размера фокального пятна. Кроме того, предложен концепт суперфокусирующей бинарной фазовой зонной пластики с иммерсионным слоем в форме усечённого конуса из материала зонной пластики, что позволило численно реализовать фокусировку циркулярно поляризованного излучения света в субдифракционное пятно с полушириной порядка "Lambda"/2n (n – показатель преломления зонной пластики).

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).