Том 35, номер 09, статья № 1

Аннотация:

Представлены результаты численного моделирования на основе теории Ми эффекта суперрезонанса для диэлектрической сферы с низким показателем преломления. В качестве материала мезоразмерной сферы использована вода. Впервые показано, что не только ранее изученные слабодиссипативные мезоразмерные сферы из материала со «средним» (~ 1,5) и высоким (более 2) показателем преломления, но и сферы из мате­риала с низким показателем преломления (~ 1,3) поддерживают эффект резонанса Фано высокого порядка, связанного с внутренними модами Ми. При этом интенсивности резонансных пиков как для магнитного, так и для электрического полей в окрестности полюсов сферы могут достигать огромных значений порядка 10⁶–10⁷ в окрестности полюсов сферы из воды с параметром размера Ми ~ 70, занимающими граничное положение с геометрической оптикой.

Ключевые слова:

теория Ми, резонанс Фано высокого порядка, мезоразмерная сферическая частица, экстремально высокие электромагнитные поля

Список литературы:

1. Luk’yanchuk B., Paniagua-Domınguez R., Minin I.V., Minin O.V., Wang Z. Refractive index less than two: Photonic nanojets yesterday, today and tomorrow // Opt. Mat. Express. 2017. V. 7, N 6. P. 1820–1847.
2. Minin O.V., Minin I.V. Optical phenomena in mesoscale dielectric particles // Photonics. 2021. V. 8, N 12.
3. Luk’yanchuk B., Bekirov A., Wang Z., Minin I.V., Minin O.V., Fedyanin A. Optical phenomena in dielectric spheres with the size of several light wavelength (Review) // Phys. Wave Phenom. 2022. V.30. N.4. P. 217–241.
4. Keen B., Porter A. On the diffraction of light by particles comparable with the wave-length // Roy. Soc. Proc. A. 1913. V. 89. P. 370.
5. Yue L., Yan B., Monks J., Wang Z., Minin I.V., Minin O.V. Loss impact on super resolution photonic jet produced by a Teflon sphere // Proc. Progress in Electromagnetics Research Symposium, St Petersburg, 22–25 May 2017, Russia. 2017. P. 1377.
6. Wang Z., Luk’yanchuk B., Yue L., Yan B., Monks J., Dhama R., Minin O.V., Minin I.V., Huang S., Fedyanin A. High order Fano resonances and giant magnetic fields in dielectric microspheres // Sci. Rep. 2019. V. 9. P. 20293.
7. Yue L., Yan B., Monks J., Dhama R., Jiang C., Minin O.V., Minin I.V., Wang Z. Full three-dimensional Poynting vector flow analysis of great field-intensity enhancement in specifically sized spherical-particles // Sci. Rep. 2019. V. 9. P. 20224.
8. Yue L., Wang Z., Yan B., Monks J., Joya Y., Dhama R., Minin O.V., Minin I.V. Super-enhancement focusing of teflon spheres // Ann. Phys. 2020. V. 532. P. 2000373.
9. Kolwas M. Scattering of light on droplets and spherical objects: 100 years of Mie scattering // Comp. Meth. Sci. Tech. 2010. V. 2. P. 107–113.
10. Penndorf R. Mie scattering coefficient for water droplets in air // J. Metrology. 1956. V. 13. P. 219.
11. Glantschnig W., Chen S. Light scattering from water droplets in the geometrical optics approximation // Appl. Opt. 1981. V. 20. P. 2499–2509.
12. Laven P. Time domain analysis of scattering by a water droplet // Appl. Opt. 2011. V. 50, N 28. P. F29.
13. Lock J., Woodruff J. Non-Debye enhancements in the Mie scattering of light from a single water droplet // Appl. Opt. 1989. V. 28, N 3. P. 523.
14. Hale G., Querry M. Optical constants of water in the 200-nm to 200-mm wavelength region // Appl. Opt. 1973. V. 12. P. 555–563.
15. Hoang T., Duan Y., Chen X., Barbastathis G. Focusing and imaging in microsphere-based microscopy // Opt. Express. 2015. V. 23. P. 12337–12353.
16. Kong X., Xiao G. Fano resonance in high-permittivity dielectric spheres // J. Opt. Soc. Am. A. 2016. V. 33. P. 707–711.
17. Fano U. Effects of configuration interaction on intensities and phase shifts // Phys. Rev. 1961. V. 124. P. 1866–1878.
18. Conwell P., Barber P., Rushforth C. Resonant spectra of dielectric spheres // J. Opt. Soc. Am. A. 1984. V. 1, N 1. P. 62.
19. Tribelsky M., Miroshnichenko A. Giant in-particle field concentration and Fano resonances at light scattering by high-refractive index particles // Phys. Rev. A. 2016. V. 93. P. 053837.
20. Luk’yanchuk B., Miroshnichenko A., Kivshar Y. Fano resonances and topological optics: an interplay of far- and near-field interference phenomena // J. Opt. 2013. V. 15. P. 073001.
21. Mie G. Beiträge zur Optik trüber Medien speziell kolloidaler Goldlösungen (Сontributions to the optics of diffuse media, especially colloid metal solutions) // Ann. Phys. 1908. V. 25. P. 377–445.
22. Gouesbet G., Gréhan G. Generalized Lorenz-Mie Theories. Berlin: Springer, 2011. 360 p.
23. Kerker M. The Scattering of Light and Other Electromagnetic Radiation. Berlin: Elsevier, 2013. 121 p.
24. Bohren C., Huffman D. Absorption and Scattering of Light by Small Particles. Berlin: Wiley. 1998.
25. Minin I.V., Zhou S., Minin O.V. Super-resonance effect for high-index sphere immersed in water // arXiv:2205.03863 (May 8). 2022.
26. Минин И.В., Минин О.В., Zhou S. Особенности генерации экстремальных электромагнитных полей в диэлектрической мезоразмерной сфере с учетом окружающей среды // Письма в ЖТФ. 2022. Т. 48, вып. 18. С. 41–44.
27. Green E. The story of Q // Am. Scientist. 1955. V. 43. P. 584–594.
28. Houston W.V. A compound interferometer for fine structure work // Phys. Rev. 1927. V. 29. P. 0478–0484.
29. Chýlek P., Jarzembski M., Srivastava V., Pinnick R., Pendleton J., Cruncleton J. Effect of spherical particles on laser-induced breakdown of gases // Appl. Opt. 1987. V. 26. P. 760–762.
30. Tzarouchis D., Sihvola A. Light scattering by a dialectric sphere: Perspectives on the Mie resonances // Appl. Sci. 2018. V. 8. P. 184.
31. Minin O.V., Minin I.V. Unusual optical effects in dielectric mesoscale particles // Proc. SPIE. 2022. N 121930E. DOI: 10.117/12.2634315.
32. Vasnetsov M.V., Staliunas K. Optical Vortices. V. 228, Commack, New York: Nova Science Publishers, 1999. 279 p.
33. Berry M.V. Superoscillations and leaky spectra // J. Phys. A Math. Theor. 2018. V. 52. P. 015202.
34. Berry M., Zheludev N., Aharonov Y., Colombo F., Sabadini I., Struppa D., Tollaksen J., Rogers E., Qin F., Hong M., Luo X., Remez R., Arie A., Götte J., Dennis M., Wong A., Eleftheriades G., Eliezer Y., Bahabad A., Chen G., Wen Z., Liang G., Hao C., Qiu C., Kempf A., Katzav E., Schwartz M. Roadmap on superoscillations // J. Opt. 2019. V. 21. P. 053002.
35. Zheludev N., Yuan G. Optical superoscillation techno­logies beyond the diffraction limit // Nature Rev. Phys. 2021. V. 4. P. 16.
36. Yuan G., Rogers E., Zheludev N. “Plasmonics” in free space: observation of giant wavevectors, vortices, and energy backflow in superoscillatory optical fields // Light: Sci. Applicat. 2019. V. 8. DOI: 10.1038/s41377- 018-0112-z.
37. Schuller J., Barnard E., Cai W., Jun Y., White J., Brongersma M. Plasmonics for extreme light concentration and manipulation // Nat. Mater. 2010. V. 9. P. 193.
38. Cao S, Xing Y, Sun Y, Liu Z, He S. Strong coupling between a single quantum emitter and a plasmonic nanoantenna on a metallic film // Nanomaterials. 2022. V. 12. P. 1440.
39. Hsu L., Baida F., Ndao A. Local field enhancement using a photonic-plasmonic nanostructure // Opt. Express. 2021. V. 29. P. 1102–1108.
40. Chýlek P., Jarzembski M., Srivastava V., Pinnick R., Pendleton J., Cruncleton J. Effect of spherical particles on laser-induced breakdown of gases // Appl. Opt. 1987. V. 26. P. 760–762.
41. Schnürer M., Hilscher D., Jahnke U., Ter-Avetisyan S., Busch S., Kalachnikov M., Stiel H., Nickles P., Sandner W. Explosion characteristics of intense femtosecond-laser-driven water droplets // Phys. Rev. E. 2004. V. 70. P. 056401.
42. Lindinger A., Hagen J., Socaciu L., Bernhardt M., Wöste L., Duft D., Leisner T. Time-resolved explosion dynamics of H₂O droplets induced by femtosecond laser pulses // Appl. Opt. 2004. V. 43. P. 5263.
43. Апексимов Д.В., Букин О.А., Быкова Е.Е., Гейнц Ю.Э., Голик С.С., Землянов А.А., Землянов Ал.А., Ильин А.А., Кабанов А.М., Матвиенко Г.Г., Ошлаков В.К., Соколова Е.Б. Взаимодействие гигаваттных лазерных импульсов с жидкими средами. Часть 1. Взрывное вскипание крупных изолированных водных капель // Оптика атмосф. и океана. 2010. Т. 23, № 7. С. 536–542; Apeksimov D.V., Bukin O.A., Bykova E.E., Geints Yu.E., Golik S.S., Zemlyanov A.A., Zemlyanov Al.A., Ilyin A.A., Kabanov A.M., Matvienko G.G., Oshlakov V.K., Sokolova E.B. Interaction of GW laser pulses with liquid media. Part 1. Explosive boiling up of large isolated water droplets // Atmos. Ocean. Opt. 2010. V. 23, N 6. P. 448–454.
44. Гейнц Ю.Э., Землянов А.А. Фазовый взрыв водной капли фемтосекундным лазерным импульсом: I. Динамика оптического пробоя // Оптика атмосф. и океана. 2009. Т. 22, № 8. С. 725–733; Geints Y., Zemlyanov A. Phase explosion of a water drop by a femtosecond laser pulse: I. Dynamics of optical breakdown // Atmos. Ocean. Opt. 2009. V. 22, N 6. P. 581–589.
45. Минин В.Ф. Взаимодействие подводной ударной волны с пузырьковой завесой: дис. ... канд. техн. наук. Новосибирск, 1961. С. 106–107.
46. Zhang J., Chang R. Shape distortion of a single water droplet by laser-induced electrostriction // Opt. Lett. 1988. V. 13. P. 916–918.
47. Minin I.V., Minin O.V., Luk'yanchuk B.S. Mesotronic era of dielectric photonics // Proc. SPIE. 2022. N 121520D. DOI: 10.1117/12.2634133.
48. Тригуб М.В., Торгаев С.Н., Евтушенко Г.С., Троицкий В.О., Шиянов Д.В. Бистатический лазерный мони­тор // Письма в ЖТФ. 2016. Т. 42, вып. 12. С. 51–56.
49. Trigub M.V., Platonov V.V., Evtusheko G.S., Osipov V.V., Evtusheko T.G. Laser monitors for high speed imaging of materials modification and production // Vacuum. 2017. V. 143. P. 486–490.
50. Trigub M.V., Agapov N.A., Evtushenko G.S., Gubarev F.A. A computational algorithm for designing an active optical system with an image intensifier // Rus. Phys. J. 2013. V. 56, N 5. P. 588–591.
51. Тригуб М.В., Платонов В.В., Федоров К.В., Евтушенко Г.С., Осипов В.В. CuBr-лазер в задачах визуа­лизации процессов получения наноматериалов // Оптика атмосф. и океана. 2016. Т. 29, № 3. С. 249–253; Trigub M.V., Platonov V.V., Fedorov K.V., Evtushenko G.S., Osipov V.V. CuBr laser for nanopowder production visualization // Atmos. Ocean. Opt. 2016. V. 29, N 4. P. 376–380.
52. Wang W., Ma X. Achieving extreme light confinement in low-index dielectric resonators through quasi-bound states in the continuum // Opt. Lett. 2021. V. 46. P. 6087–6090.
53. Minin O.V., Minin I.V., Zhou S. The super resonance effect paves the way for a new type of refractive index sensor concept based on a mesoscale dielectric sphere // arXiv:2204.09175 (April 20). 2022.