Generation of finite power Airy beams based on holographic and plasmonic approaches

Abstract

베셀빔, 웨버빔과 같이 대표적인 비회절성 빔 중 하나인 에어리 빔은 진행하면서 필드 분포가 처음의 모양 그대로 유지되는 성질을 갖는다. 이는 자유 입자의 운동을 기술한 슈뢰딩거 방정식의 실용해로서 연구되었으며 최근 실험을 통해서 측정되었다. 이러한 에어리 빔은 크게 세가지 독특한 성질을 가지고 있다. 비회절성은 에어리 빔이 진행하는 동안 횡단방향의 필드가 에어리 필드 형태를 계속해서 유지하는 것을 말한다. 자유 가속은 에어리 빔이 진행할 때 외부의 힘이 가해지지 않았음에도 불구하고 진행방향이 휘는 성질을 보인다. 이는 비회절성 빔 중 오직 에어리 빔에서만 나타나는 독특한 성질이다. 마지막으로 자기 회복은 에어리 빔이 장애물을 만나도 얼마 뒤 처음과 비슷한 필드 분포를 회복하는 성질이다. 이러한 성질은 수 많은 빛 다발이 휘어진 형태의 포락선을 형성하는 것으로 설명할 수 있다. 하지만 수많은 빛 다발을 구현하기는 현실적으로 불가능하기 때문에 에어리 빔을 실제로 만드는데는 다른 방법이 필요하다. 따라서 에어리 빔의 사이드 로브를 제거한 형태인 유한한 에어리 빔이 제안되었다. 이러한 형태의 에어리 빔은 자유 가속, 자기 회복 등의 성질을 가지지만 비회절성질은 시간이 지남에 따라 잃게 된다. 본 논문에서는 입사하는 빔의 필드를 변조함으로써 다향한 형태의 에어리 빔을 만들었다. 특히 평면파를 사용하여 만든 에어리 빔은 가우시안빔으로 만들어진 일반적인 에어리 빔에 비해 비회절성이 향상된 결과를 얻었다. 또, 인버스-가우시안빔으로 만든 에어리 빔은 휘어진 포커스를 형성하는 것을 보였다. 이론 및 실험을 통하여서 입사하는 빔이 에어리 빔에 어떤 영향을 미치는지를 제시하였다. 다음으로 홀로그래피를 이용하여 에어리 빔을 만드는 새로운 방법을 제안하였다. 레퍼런스빔과 에어리 빔의 홀로그램을 기록하고 이를 재생하는 방법으로 복잡한 실험장치 없이 간단하게 에어리 빔을 구현하였다. 레퍼런스빔 전체를 입사하지 않더라도 에어리 빔이 만들어지는 자기 회복을 보였으며, 레퍼런스빔을 반대방향에서 조사함으로써 파워의 방향이 반대인 에어리 빔을 구현하였다. 이는 기존의 공간광변조기를 이용하여서는 구현할 수 없는 것이다. 또, 실제적인 응용을 위해 각다중화를 실험하였다. 이는 동시에 여러개의 입자를 옮기거나 제어할 수 있는 기술이 될 것이라 예상된다. 마지막으로 금속 슬릿 어레이를 이용하여 에어리 빔을 만드는 방법을 제안하였다. 호이겐스의 원리에 따라 표면 플라즈몬이 슬릿을 통과할 때의 파워와 위상을 조절하여 초기 에어리 빔의 강도 및 위상 분포와 같게 만들어주면 에어리 빔이 형성될 수 있음을 보였다. 이는 특별한 광학 장치 없이 매우 작은 구조로 만들 수 있기 때문에 광집적회로에서의 신호전달이나 입자조작과 같은 곳에 응용될 것이라 생각된다.

An Airy beam is a kind of non-diffracting wave such as Bessel beam and Weber beam, which keeps its initial field profile during propagation. It was theoretically analyzed by Berry and Balazs as a non-trivial solution of the Schrödinger equation describing movements of a free particle under the free-potential condition. Until now, the Airy beam has attracted much attention due to their three representative characteristics: non-diffraction, free-acceleration and self-healing. First, an Airy beam has the invariant field profile during propagation: non-diffraction. Second, the Airy beam has the unique bending trajectory without any external force: free-acceleration. Lastly, the Airy beam has the ability to reconstruct its original shape after being partially blocked by an opaque obstacle: self-healing. These properties can be understood by noticing that a number of straight rays form the parabolic caustic. However, it is impossible to experimentally build up an Airy beam since it has a long tail containing infinite power. Thus, a finite power Airy beam was introduced by suppressing side lobes of an ideal Airy beam. Although this Airy-like beam cannot remain the non-diffraction feature permanently, it shows not only reasonable propagation length with keeping its Airy field profile but also distinguished properties such as both free-acceleration and a self-healing ability. In this dissertation, the generation method of the finite power Airy beams via initial field modulation to suppress side lobes is presented. Three types of input beam cases, which are a Gaussian beam, a uniform beam of finite extent and an inverse Gaussian beam, are investigated both theoretically and experimentally. Especially, the finite power Airy beam generated by a uniform input beam of finite extent retains the Airy field profile much longer than that of the Airy beam generated by a conventional Gaussian beam. Also, the finite power Airy beams generated by an inverse Gaussian input beam forms a unique focused-bending beam. To generate the finite power Airy beams, a novel method based on holography which is the recording and reconstruction technique of optical fields including amplitude and phase information, is introduced. After interference patterns of a reference beam and a finite power Airy beam are recorded on a photopolymer, the finite power Airy beams can be regenerated by simply illuminating the reference beam on the hologram. In addition, using the characteristics of holography, the self-healing property and more bended propagation of the reconstructed Airy beams are experimentally verified. Moreover, angle multiplexing of the multiple Airy beams determined by the angles of the reference beams is presented. This might enable the parallel processing of particle manipulations using the Airy beams. A new method to launch the finite power Airy beams based on the metallic slit array is presented. By tailoring the amplitude and phase of the transmitted fields from the metallic slit array, the launching of Airy beam with compact area has been achieved in free space. From the Huygens' principle, diffracted light at the slit end acts individual point sources and forms the interference patterns by controlling surface plasmon polartons (SPPs) diffracted at the exit of the subwavelength slit. It is expected that this method is used to various applications like particle tweezing, sorting, clearing and trapping without any optical components and bulky structure.