Light transmission through holes in the deep subdiffractional regime using topological structures

Abstract

The subject of the herein Thesis is a novel technique for the efficient transmission and energy focusing on the micro- and nano-scales, particularly for the transmission of light through holes or slits in the deep subdiffractional regime (i.e., significantly smaller than the operating wavelength). This technique has many important advantages over the conventional techniques for the same task, and it could affect positive the evolution of the wider field of nanophotonic applications. The transmission and focusing of light in the micro- and nano-scales is in the core of many contemporary applications: Optical data writing/storage, heat-assisted magnetic recording (HAMR), nanoimaging, spectroscopy, sensing, near-field scanning optical or thermal nanoscopy, thermal scanning probe lithography, nanoscale thermometry, and others such these. In all these applications, there is the requirement to focus with high efficiency ∼100 μW of power to a ∼10 nm (or less) spot on a planar surface. This is a light intensity extremely high, many orders of magnitude larger than the light intensity encountered in everyday physical phenomena (e.g., the intensity of sunlight on the surface of the earth, or the light intensity attained with an optical lens). Optics poses a threshold to the light that can be transmitted and focused from a hole of a given diameter (Bethe’s limit). This threshold makes the aforementioned applications very difficult to realize. The standard technology attaining the focusing of light in the nanoscale is the gold-coated tapered optical fibers, widely used in Near-field Scanning Optical Microscopes (NSOMs). The optical transmission efficiency of NSOM probe tips is typically between 10−5 - 10−4 (or less). The herein proposed technique, called APOTUS-HM (APOTUS: Almost Perfect Optical Transmission Through Unstructured Single holes; HM: Hole Method), is a way to overcome the threshold posed by Bethe’s limit. APOTUS-HM provides a transmission coefficient significantly higher than the other established techniques, that ideally approaches unity. At the same time its basic idea is simple and quite easy to realize in practice. APOTUS-HM is founded on three main pillars: (i) unidirectionality in propagation, (ii) immunity in dispersion and nonlocality, and (iii) extraordinary optical transmission (EOT). The basic principle of APOTUS-HM is as follows. Using special materials, it is imposed on a wave to propagate in a waveguide only forwards – unidirectionally. At the end of the waveguide there is a hole with the appropriate diameter for the focusing. When the wave arrives at the end of the waveguide, as it cannot move backwards, it is forced to pass through the hole, no matter how small the hole is, and thereby to be focused in front of it. Despite the simplicity of the above idea, to realize successfully an APOTUS-HM device, there are many subtle theoretical topics that must be studied and understood. In the herein thesis it is made an attempt to present how to implement efficiently the three pillars of the technique mentioned above and the basic theory behind them, giving in this way a background for the better understanding and for further improving the efficiency of the technique. The unidirectionality and immunity of propagation in nonlocal effects is attained using special, optically-topological materials, whose use and basic theory is also explained in some detail in the Thesis.

Το θέμα της παρούσας εργασίας είναι μια καινοτόμα τεχνική για τη μετάδοση και εστίαση ενέργειας στη μικρο- και νανοκλίμακα, ειδικότερα για τη μετάδοση φωτός διαμέσου οπών ή σχισμών στο βαθύ υποπεριθλαστικό καθεστώς (δηλ. σημαντικά μικρότερων του μήκους κύματος λειτουργίας). Αυτή η τεχνική έχει πολλά σημαντικά πλεονεκτήματα έναντι των συμβατικών τεχνικών για τον ίδιο σκοπό, και θα μπορούσε να επηρεάσει θετικά την ανάπτυξη του ευρύτερου κλάδου των νανοφωτονικών εφαρμογών. Η μετάδοση και εστίαση φωτός στη μικρο- και νανοκλίμακα είναι στον κορμό πολλών σύγχρονων εφαρμογών: οπτική εγγραφή/αποθήκευση δεδομένων, θερμικά υποβοηθούμενη μαγνητική εγγραφή (HAMR), νανοεικονοσκόπηση, φασματοσκοπία, αισθητήρες, οπτική ή θερμική νανοσκοπία κοντινού πεδίου, λιθογραφία με πρόμπες θερμικής ανίχνευσης, θερμομετρία νανοκλίμακας, και άλλες όπως αυτές. Σε όλες αυτές τις εφαρμογές, υπάρχει η απαίτηση να εστιαστεί με υψηλή απόδοση ισχύς ∼100 μW σε μια περιοχή ∼10 nm (ή μικρότερη) μιας επίπεδης επιφάνειας. Αυτή είναι μια ένταση φωτός εξαιρετικά υψηλή, πολλές τάξεις μεγέθους μεγαλύτερη από τη φωτεινή ένταση που συναντάται στα καθημερινά φυσικά φαινόμενα (π.χ., την ένταση του ηλιακού φωτός στην επιφάνεια της γης, ή τη φωτεινή ένταση που επιτυγχάνεται με έναν οπτικό φακό). Η Οπτική θέτει ένα κατώφλι στο φως που μπορεί να μεταδοθεί και να εστιαστεί από μια οπή δοθείσης διαμέτρου (σχέση του Bethe). Αυτό το κατώφλι καθιστά τις προαναφερθείσες εφαρμογές πολύ δύσκολο να πραγματοποιηθούν. Η καθιερωμένη τεχνολογία για την εστίαση του φωτός στη νανονκλίμακα είναι οι κωνικές οπτικές ίνες με επικάλυψη χρυσού, ευρέως χρησιμοποιούμενες στα Οπτικά Μικροσκόπια Ανίχνευσης Κοντινού Πεδίου NSOMs). Η απόδοση της οπτικής μετάδοσης του άκρου μιας NSOM πρόμπας είναι τυπικά μεταξύ 10^−5 - 10^−4 (ή μικρότερη). Η προκείμενη προταθείσα τεχνική, καλούμενη APOTUS-HM (APOTUS: Almost Perfect Optical Transmission Through Unstructured Single holes; HM: Hole Method), είναι ένας τρόπος να ξεπεραστεί το κατώφλι που τίθεται από τη σχέση του Bethe. Η APOTUS-HM παρέχει έναν συντελεστή μετάδοσης πολύ μεγαλύτερο από τις καθιερωμένες τεχνικές, ο οποίος ιδεατά προσεγγίζει τη μονάδα. Ταυτόχρονα, η βασική της ιδέα είναι απλή και αρκετά εύκολο να υλοποιηθεί στην πράξη. Η APOTUS-HM θεμελιώνεται σε τρεις βασικούς πυλώνες: (i) μονοκατευθυντικότητα στη διάδοση, (ii) προστασία από τη διασπορά, και (iii) εξαιρετική οπτική μετάδοση (EOT). Η βασική αρχή της APOTUS-HM είναι ως ακολούθως. Χρησιμοποιοώντας ειδικά υλικά επιβάλλεται σε ένα κύμα να διαδοθεί σε έναν κυματοδηγό μόνον έμπροσθεν, μονοκατευθυντικά. Στο τέλος του κυματοδηγού υπάρχει μια οπή με την κατάλληλη διάμετρο για την εστίαση. Όταν το κύμα φτάσει στο πέρας του κυματοδηγού, καθώς δεν μπορεί να κινηθεί προς τα πίσω, εξαναγκάζεται να διέλθει από την οπή, ανεξάρτητα από το πόσο μικρή είναι, και άρα να εστιαστεί μπροστά της. Παρά την απλότητα της παραπάνω ιδέας, για να υλοποιηθεί επιτυχώς μια συσκευή APOTUS-HM υπάρχουν πολλά λεπτά θεωρητικά θέματα που πρέπει να μελετηθούν και να κατανοηθούν. Στην προκείμενη εργασία επιχειρείται να παρουσιαστεί πώς να εφαρμοστούν αποτελεσματικά τα τρία θεμέλια που αναφέρθηκαν παραπάνω και η βασική θεωρία πίσω από αυτά, δίνοντας με αυτόν τον τρόπο ένα υπόβαθρο για την καλύτερη κατανόηση και περαιτέρω βελτίωση της τεχνικής, και βέβαια δίνονται λεπτομέρειες αριθμητικών προσομοιώσεων βασικών συσκευών (μοντέλων) APOTUS-HM. Η μονοκατευθυντικότητα και η προστασία της διάδοσης από διασπορά επιτυγχάνεται χρησιμοποιώντας οπτικά-τοπολογικά υλικά, των οποίων η θεωρία επίσης μελετάται ως ένα βαθμό στην εργασία.