Electromagnetic Nanophotonics: Superlens Imaging of Dipolar Emittersand Cloaking in Weak Scattering
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2012-11-30
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Instructions for the author
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2012
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
140
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 151/2012
Abstract
Two novel topics of nanophotonics, near-field imaging by superlenses and invisibility cloaking with slab scatterers, are investigated within the context of classical electromagnetic theory. In superlens imaging the objects are radiating point dipoles or externally excited dipolar emitters. The imaging element is a metallic or a slightly lossy negative-index material (NIM) slab with thickness of a few tens of nanometers. The electromagnetic angular spectrum representation is used to derive the Green tensors for the slab’s transmission and reflection. With this formalism the point-spread function of the imaging system is numerically evaluated, which enables one to assess resolution and image brightness. The dependence of image quality on the system parameters, dipole orientations, and near-field interactions among the objects and the lens is investigated. It is shown that both metallic and lossy metamaterial superlenses allow for image definitions beyond the usual diffraction limit of half the wavelength λ. High image quality requires a low-absorption slab and a good impedance match of the lens and its surroundings. In the immediate vicinity of the slab the dipole-slab interaction prevents the dipole from radiating. With low-loss NIM the interaction is weak and of short range. For silver slabs the interactionis stronger and reaches over the near-field zone, adversely influencing the imaging capabilities. With two dipole-like objects the emission is also suppressed by dipole-dipole near-field interactions, in particular with molecular objects while the effect is weak for glass or metallic nanoparticles. Due to interference subwavelength definition can only be attained for dipolesaligned predominantly orthogonal to the slab. Such a situation is achieved with excitation by total internal reflection. In optimal circumstances, resolutions of about λ/5 for silver and λ/10 for metamaterial lens are reached in three-dimensional configurations. Invisibility cloaking is considered within weak optical scattering in slab geometry. The conditions for cloaking in forward and backward directions are established, enabling the determination of the cloak’s refractive-index distribution for stratified objects. For any absorbing object forward cloaking is achieved with a lossy NIM or gainy ordinary-material slab. The cloaking is perfect for incident fields of any spatial structure and bandwidth. Backward cloaking is found possible with self-imaging fields. In both cases the cloak’s dispersive properties resemble those of the object.Työssä tutkitaan klassista sähkömagneettista teoriaa käyttäen kahta modernin nanofotoniikan aihetta: lähikenttäkuvaamista superlinsseillä ja kohteen häivyttämistä. Superlinsseillä kuvattaessa objektina toimii säteilevä pistedipoli tai dipolimainen sirottaja. Kuvauslinssinä käytetään metallista tai häviöllisestä metamateriaalista koostuvaa levyä, jonka paksuus on kymmenien nanometrien suuruusluokkaa. Työssä johdetaan Greenin tensorit levyn läpäisylle ja heijastukselle sähkömagneettisen kulmaspektriesityksen avulla. Tällä formalismilla lasketaan numeerisesti dipolin kuvajakauma, mikä mahdollistaa kuvan kirkkauden ja tarkkuuden määrittämisen. Tarkasteltavana on syntyneen kuvan laadun riippuvuus kuvaussysteemin parametreista, objektidipolien suunnasta sekä objektien ja linssin välisistä lähikenttävuorovaikutuksista. Työssä osoitetaan, että puolen aallonpituuden (λ) kuvaustarkkuus voidaan ylittää metalli- ja metamateriaalisuperlinsseillä. Terävä kuva edellyttää pienihäviöistä kuvauselementtiä sekä hyvää impedanssien sovitusta elementin ja ympäristön välillä. Linssin välittömässä läheisyydessä objekti-linssi -vuorovaikutukset heikentävät dipolilähteen säteilyn voimakkuutta. Metamateriaalilinssille ilmiö on heikko, mutta metallilinssin tapauksessa se on merkittävä ja kattaa lähikenttäalueen heikentäen elementin kuvausominaisuuksia. Myös kahden molekyylimäisen objektin vuorovaikutukset vähentävät emissiota, kun taas lasi- ja metallinanohiukkasia kuvattaessa näin ei käy. Interferenssin johdosta alle puolen aallonpituuden kuvaustarkkuus saavutetaan vain, jos dipolit osoittavat kohtisuoraan kuvauslevyä kohti. Tämä saadaan aikaan virittämällä dipolit kokonaisheijastuksella luodulla vaimenevalla kentällä. Optimaalisessatilanteessa kolmidimensioisella kuvaussysteemillä päästään kuvaustarkkuuteen, joka on noin λ/5 metallilinssille ja λ/10 metamateriaalilinssille. Työssä tarkastellaan heikosti valoa sirottavien objektien häivyttämistä levygeometriassa. Ilmiölle määritetään tarkastelusuunnasta riippuvat ehdot, jotka mahdollistavat häivemateriaalin taitekertoimen laskemisen. Kerrosrakenteinen objekti voidaan saattaa edestäpäin näkymättömäksi häviöllisellä metamateriaalilla tai vahvistavalla aineella. Häivyttäminen on täydellistä ja toteutuu mielivaltaiselle valaistukselle. Myös heijastuksessa objektin näkymättömäksi tekeminen on mahdollista, mutta vain itsekuvautuvien kenttien tapauksessa. Häivemateriaalin dispersiiviset ominaisuudet määräytyvät objektin vastaavista ominaisuuksistaDescription
Supervising professor
Friberg, Ari T., Prof., Aalto University, FinlandThesis advisor
Setälä, Tero, Docent, Aalto University, FinlandKeywords
near-field optics, superlens imaging, optical scattering, lähikenttäoptiikka, superlinssikuvaus, optinen sironta
Other note
Parts
- [Publication 1]: Timo Hakkarainen, Tero Setälä, and Ari T. Friberg. Subwavelength electromagnetic near-field imaging of point dipole with metamaterial nanoslab. Journal of the Optical Society of America A 26, 10, 2226–2234, September 2009.
- [Publication 2]: Timo Hakkarainen, Tero Setälä, and Ari T. Friberg. Near-field imaging of point dipole with silver superlens. Applied Physics B 101, 4, 731–734, July 2010.
- [Publication 3]: Timo Hakkarainen, Tero Setälä, and Ari T. Friberg. Electromagnetic near-field interactions of a dipolar emitter with metal and metamaterial nanoslabs. Physical Review A 84, 3, 033849, September 2011.
- [Publication 4]: Timo Hakkarainen, Tero Setälä, and Ari T. Friberg. Near-field imaging of interacting nano objects with metal and metamaterial superlenses. New Journal of Physics 14, 043019, April 2012.
- [Publication 5]: Tero Setälä, Timo Hakkarainen, Ari T. Friberg, and Bernhard J. Hoenders. Object-dependent cloaking in the first-order Born approximation. Physical Review A 82, 1, 013814, July 2010.