Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Поверхностные плазмон-поляритоны, электромагнитные возбуждения на границе металла и диэлектрика, наблюдаются и исследуются в течение многих лет. Интерес к ним вызван, во-первых, их ролью во многих явлениях, происходящих на поверхностях, и, во-вторых, как существующими, так и потенциальными применениями. Одним из применений может быть их использование для передачи энергии и информации в различных коммуникационных системах. В таких применениях компактность системы обеспечивается, если использовать в качестве плазмонных волноводов осесимметричные проводники, которые могут иметь и сложный профиль, но для простоты мы будем называть их далее "проволоками". Исследования плазмонов на проводниках ведутся в спектральных диапазонах от видимого до терагерцового. В последнем случае длины пробегов плазмонов достигают сантиметров и десятков сантиметров, что может быть в ряде случаев дополнительным преимуществом. Имеется ряд экспериментальных исследований по генерации терагерцовых плазмонов и их распространению по проволокам, хотя исчерпывающими их не назовешь. В последние годы большой интерес в фотонике вызывают пучки с орбитальным угловым моментом, или просто "вихревые" пучки. В качестве одного из их применений рассматривается возможность создавать мультиплексные каналы связи в свободном пространстве, используя дополнительную степень свободы, связанную с вращением пучка. Демонстрация таких возможностей уже выполнена. Обращаясь теперь к плазмонике, можно задаться вопросом, нельзя ли использовать такие пучки, чтобы трансформировать их в вихревые плазмоны. Если научиться формировать такие плазмоны и, после их прохождение по линии передачи, декодировать их орбитальный момент, то можно создать мультиплексную линию плазмонной связи. Данный проект направлен на решение фундаментальных и технологических аспектов этой задачи. Фундаментальные проблемы включают: (1) разработку методов генерации вихревых плазмонов на проволоках; (2) исследование специфики их распространения по сравнению с обычными плазмонами и с плазмонами на плоских поверхностях; (3) разработку методов декодирования топологического заряда плазмона на конце линии. Среди технологических задач, которые необходимо решить для практической реализации проекта, наиболее важыми являются следующие: (4) разработка и изготовление преобразователей линейно-поляризованного излучения в вихревой пучок с радиальным распределением поляризации; (5) создание волноводных систем, позволяющих детектировать поверхностные плазмоны на фоне паразитного излучения, неизбежно возникающего в таких системах; (6) исследование прохождения плазмонов через тонкие пленки, изогнутые поверхности, разрывы и разветвления волноводов; (7) разработка методов детектирования свойств плазмонов после прохождения волновода, в том числе, путем анализа излучения, дифрагировавшего на окончании волновода. Основные экспериментальные исследования по проекту выполняются в двух терагерцовых диапазонах с центральной длиной волны 141 и 47 мкм. Источником монохроматического квазинепрерывного импульсно-периодического изучения в этом случае является Новосибирский лазер на свободных электронах, длина волны которого в случае необходимости может быть перестроена. Дополнительные исследования проводятся, используя непрерывный квантовый каскадный лазер на длине волны 8.5 мкм, на которой поверхностные плазмоны до сих пор не исследовались. Использование в экспериментах источников непрерывного монохроматического излучения исключает дисперсионное расширение плазмонов, характерное для широкополосных импульсных источников, обычно используемых в терагерцовом диапазоне, и позволяет работать в режиме реального времени. Для генерации плазмонов рассчитаны, спроектированы и изготовлены две системы для генерации вихревых плазмонов. В обеих системах гауссов пучок лазера на свободных электронах сначала преобразуется спиральным фазовым аксиконом в аксиально сходящиеся плоские волны. Эти волны можно использовать двумя способами. В первом способе на оптической оси устанавливается цилиндрическая металлическая дифракционная решетка, отражающая один из дифракционных порядков вдоль поверхности, на который может трансформироваться в поверхностный плазмон, продолжающий распространяться по цилиндрическому проводнику, пристыкованному к решетке. В другом варианте решетка не устанавливается, а плоские волны с помощью линзы трансформируются в фокальной плоскости линзы в вихревые кольцевые пучки, диаметры которых можно легко подогнать к диаметру проволоки для генерации на ней вихревого плазмона методом дифракции на краю (end-fire coupling). На обеих системах начаты эксперименты с проводниками различных конфигураций, включая изогнутые провода. Ведутся исследования дифракции поверхностных плазмонов на торце проводника в свободное пространство, используя матричный микроболометрический приемник и пироэлектрическую камеру. Для обеспечения будущих экспериментов выполнен также ряд технологических работ, в которые отрабатывались технологии изготовления дифракционных оптических элементов, волноводов, согласующих элементов и фильтров терагерцового диапазона. На основе схемы интерферометра Маха-Цендера создана система для преобразования линейно поляризованного гауссова пучка в вихревые векторные пучки с радиальной поляризацией и с заданным топологическим зарядом. Для этого в интерферометр добавлены элементы, генерирующие пучки Гаусса-Эрмита, а после интерферометра установлены бинарный спиральный аксикон и линза, в фокусе которой формируется искомый пучок. Замечательным свойством такой системы является то, что диаметр кольцевого пучка с любым топологическим зарядом при использовании аксиконов с одинаковым периодом сохраняется постоянным, что важно, например, для запуска двух плазмонов на один волновод Описанное устройство было испытано на лазере на свободных электронах, и формирование векторного вихревого пучка было продемонстрировано экспериментально. Для изучения прохождения плазмонов через пленки и по изогнутым поверхностям, были проведены эксперименты на плоской металлической поверхности с изгибом. Показано, что плазмон, генерирующийся на плоской дифракционной решетке, способен проходить сквозь полиимидную пленку, распространяться "за горизонт", отражаться от препятствия и затем, отражаясь от пленки, достигать детектора. Подобное отражение можно использовать для сенсинга и на проводах. Было показано, что нанесение на металл тонкой пленки ZnS существенно уменьшает длину затухания поля плазмона в воздухе, что может быть решением проблемы и для цилиндрических проводников. Мы предложили метод одновременной генерации идентичных обычных или закрученных плазмонов на системе параллельных регулярно расположенных проволочек, используя эффект Тальбота. Впервые решена аналитически задача о формировании регулярной "решетки" вихревых кольцевых микропучков при дифракции бесселева пучка на амплитудной периодической решетке. Найдены условия формирования колец в главных и дробных плоскостях Тальбота, вычислена зависимость их диаметров от трех чисел, характеризующих плоскость Тальбота, и от параметров бесселева пучка. Показано, что по многим причинам такие пучки являются идеальными для генерации обычных и закрученных плазмонов на системе параллельных регулярно расположенных проволочек методом дифракции. Наши эксперименты подтвердили теорию. Используя квантовый каскадный лазер и изготовленный нами бинарный фазовый аксикон сформирован, по-видимому впервые в диапазоне 8.5 мкм, бесселев пучок пятого порядка, который можно использовать в экспериментах по генерации вихревых плазмонов.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
1) Впервые осуществлена генерация вихревых поверхностных плазмон-поляритонов (ВППП) на осесимметричных односвязных проводящих линиях (далее "цилиндры"), в том числе на цилиндрах с переменным по длине радиусом. Показано экспериментально, что плазмоны с орбитальным угловым моментом возбуждаются при дифракции пучков с орбитальным угловым моментом на торце цилиндра и распространяются вдоль его поверхности по винтовой линии, сохраняя в пределах точности эксперимента момент вращения. Получены и исследованы плазмоны, соответствующие топологическим зарядам 3 и 9, прошедшие вдоль цилиндра расстояние равное 100 мм. 2) Показано, что оптимальным методом возбуждения плазмонов на цилиндрах в схеме с дифракцией является использование так называемых "совершенных вихревых пучков" (perfect vortex beams), представляющих в поперечном сечении одиночное кольцо. На практике такое пучки возникают в фокальной плоскости линзы, освещаемой бесселевыми пучками, и являются их фурье-преобразованием. Принципиально важной характеристикой совершенных пучков является одинаковый диаметр кольца, не зависящий от величины топологического заряда. Рассчитаны и изготовлены методом фотолитографии бинарные спиральные аксиконы из высокоомного кремния, с помощью которых были сформированы бесселевы пучки третьего и девятого порядков, а затем совершенные пучки терагерцового диапазона с тем же топологическим зарядом, использованные в экспериментах для возбуждения плазмонов 3) Используя модифицированный интерферометр Маха-Цендера (или в качестве варианта секционную полуволновую пластинку), бинарные аксиконы и линзу, были впервые экспериментально получены совершенные пучки терагерцового диапазона с радиальной и азимутальной поляризацией (векторные пучки). Поскольку ВППП существуют только как s-волны, в эксперименте одним их критических доказательств, подтвердивших, что мы наблюдаем именно плазмоны, а не свободные волны, была четкая зависимость интенсивности наблюдаемого на выходе сигнала от направления поляризации возбуждающего векторного пучка. 4) Для определения характеристик вихревых пучков, освещающих передний конец линии, а также для измерения топологического заряда свободных волн, возникающих при дифракции плазмонов на заднем конце линии, собраны и испытаны оптические системы для корреляционных и интерференционных измерений электромагнитных волн со спиральными волновыми фронтами. Используя различные парные комбинации вихревых пучков, показана корректность работы этих устройств. 5) Впервые аналитически и численно исследованы свойства трёх типов дифракционных фазовых аксиконов (а для двух из них и экспериментально), используя которые можно сформировать квазибесселевы пучки, а затем – совершенные пучки. Оказалось, что, при практически не отличающихся в области первых колец бесселевых пучках, их фурье-спектры демонстрируют довольно большие различия, истоки которых скрыты во внешних областях пучков. Поскольку "аналитические" бесселевы пучки в реальности существовать не могут (их энергия равна бесконечности), то полученные результаты подтверждают решающее значение способов генерации квазибесселевых пучков. Этот вывод следует принимать во внимание при формировании совершенных пучков. В рамках нашей задачи полученные результаты позволили сделать вывод о том, какие аксиконы наиболее подходят для возбуждения ВППП на цилиндрических проводниках в разных обстоятельствах. Обнаруженные нами особенности пространственного распределения амплитуды волны в совершенных пучках, созданных бинарными аксиконами, позволили в экспериментах получить ещё одно доказательство генерации ВППП по обнаруженному сходству профиля интенсивности ВППП на выходе с профилем интенсивности свободной волны на входе. 6) В экспериментах на плоских поверхностях показано, что терагерцовые поверхностные плазмон-поляритоны обладают способностью проходить через тонкие субволновые пленки с коэффициентом пропускания близким к коэффициенту пропускания плоской волны. Опираясь на эти измерения, мы использовали в экспериментах две пленочные мембраны в качестве опор цилиндрической линии, которые, как стало ясно из экспериментов, незначительно ослабляли доходившие до конца линии плазмоны. 7) Впервые создана аналитическая теория дифракции бесселевых пучков на двумерных решетках круглых отверстий. Показано, что в главной и дробных плоскостях Тальбота формируются микропучки в виде периодической решётки одиночных колец с топологическим зарядом, равным топологическому заряду падающего пучка. В главной и первой дробной плоскостях период этой решетки соответствует периоду круглых отверстий, а в плоскостях следующих порядков пространственная частота решетки возрастает. В перспективе такие микропучки могут быть использованы для возбуждения плазмонов на решетке из параллельно натянутых проволочек. Результаты теории подтверждены экспериментами при длине волны 141 мкм. 8) Используя излучение квантового каскадного лазера, впервые получены бесселевы пучки с орбитальным угловым моментом при длине волны 8.45 мкм, Для их создания использованы три специально изготовленных бинарных спиральных аксикона с топологическими зарядами 5 и 9 (два экземпляра с разными периодами). Преобразуя их с помощью линзы, были получены совершенные пучки, некоторые из которых подходят по геометрическим характеристикам для возбуждения вихревых поверхностных плазмонов в наших экспериментах. Эксперименты по возбуждению плазмонов приостановлены из-за выхода из строя матричного микроболометрического приемника. 9) Получен патент РФ №2 725 643 "Устройство для преобразования инфракрасного излучения в поверхностную электромагнитную волну". Результаты детально описаны в PDF-файле, приложенном к отчету

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В результате выполненных в текущем году исследований были получены аналитические, численные и экспериментальные результаты, позволившие сформировать полную физическую картину для описания процесса генерации плазмонов, их распространения по передающей линии (волноводу) и трансформации на выходе в свободную волну, а также сделать выбор оптимальной конфигурации мультиплексной плазмонной коммуникационной линии. Эксперименты были проведены в среднем инфракрасном (8.45 мкм) и терагерцовом (47 и 141 мкм) диапазонах, но основные результаты были получены при длине волны 141 мкм. Прежде всего был решён вопрос об оптимальном способе возбуждения плазмонов на цилиндрическом волноводе. Вспомогательные эксперименты на плоских поверхностях и выпуклых цилиндрах позволили исследовать эффективность захвата плазмона методом дифракции на краю интерфейса «металл -диэлектрик – воздух» как функции толщины диэлектрического покрытия (ZnS). Было показано, что эффективность достигает максимума, равного 34%, при толщине покрытия 1 мкм, которое и наносилось в ключевых экспериментах на осесимметричные проводники. Сравнивая результаты этих экспериментов с выполненными в этом году исследованиями эффективности генерации плазмонов с помощью металлических дифракционных решёток, мы сделали окончательный выбор метода возбуждения. В качестве метода возбуждения ВППП была выбрана дифракция пучков с орбитальным угловым моментом (вихревых пучков) на торцевой кромке цилиндрической линии. Этот метод оказался наиболее эффективным и простым в реализации. Для формирования возбуждающих плазмоны вихревых пучков с радиальной и азимутальной поляризацией вместо сложного в использовании интерферометра Маха-Цендера была использована сегментная полуволновая пластинка, а интерферометр был использован в экспериментах для формирования суперпозиций вихревых пучков с разными топологическими зарядами. В качестве альтернативного метода формирования суперпозиций рассмотрены угловая дифракция и использование сложных дифракционных элементов, один из которых, двусторонний бинарный аксикон, рассчитан, изготовлен и готов к использованию. Для исследования распространения вихревых плазмонов были изготовлен ряд медных и латунных линий, с диэлектрическим покрытием и без него, имевшие разные размеры и конфигурации. Было продемонстрировано, что ВППП могут распространяться на расстояние до 150 мм, преодолевать участки резкого сужения цилиндров, «перепрыгивать» воздушные промежутки между одним или несколькими цилиндрами, сжиматься не менее, чем в 10 раз, на конически сходящихся волноводах. Было показано, что, возникшие на входном торце плазмоны, распространяются по винтовым траекториям, параллельно друг другу, и распределение по периметру энергии сохраняется вплоть до достижения ими выходного конца линии. Последнее свойство позволило, ограничивая зону возбуждения по азимуту, измерить углы поворота плазмона при распространении по линии и показать, что поперечная компонента вектора Пойнтинга возбуждающей волны передается плазмону. Для исследования топологического заряда и других свойств свободной волны, распространяющейся позади волновода при дифракции на её торце плазмонов, использовалась оптическая схема, позволявшая регистрировать распределение интенсивности на разных расстояниях от волновода или записывать фурье-образ волны в пространстве поперечных волновых чисел. Мы обнаружили, что при дифракции плазмона на выходе линии формируется коническая слабо расходящаяся свободная волна, которая в расчете на один фотон сохраняет орбитальный угловой момент, который имела возбуждающая плазмон волна. Таким образом, в наших экспериментах было продемонстрировано преобразование «вихревой бесселев пучок – вращающийся плазмон – вихревая свободная волна», в котором топологический заряд сохраняется. Используя суперпозицию двух пучков с разными орбитальными угловыми моментами, мы возбудили поверхностные плазмоны на конически сходящейся линии со входным диаметром 7 мм и длиной 120 мм, и зарегистрировали на выходе плазмоны. Основываясь на всей совокупности полученных результатов, можно утверждать, что скорость их вращения определяется комбинацией поперечных скоростей возбуждающих пучков, что позволяет реализовать на практике мультиплексные плазмонные коммуникационные линии.