Super-Resolution without Evanescent Waves

The past decade has seen numerous efforts to achieve imaging resolution beyond that of the Abbe-Rayleigh diffraction limit. The main direction of research alining to break this limit seeks to exploit the evanescent components containing fine detail of the electromagnetic field distribution at the Immediate proximity of the object. Here, we propose a solution that removes the need for evanescent fields. The object being imaged or stimulated with subwavelangth accuracy does not need to be In the immediate proximity of the superlens or field concentrator: an optical mask can be designed that creates constructive Interference of waves known as superoscillation, leading to a subwavelength focus of prescribed size and shape in a field of view beyond the evanescent fields, when illuminated by a monochromatic wave. Moreover, we demonstrate that such a mask may be used not only as a focusing device but also as a super-resolution imaging device.

The optical response of nanostructured surfaces and the composite diffracted evanescent wave model

Investigations of the optical response of subwavelength-structure arrays milled into thin metal films have revealed surprising phenomena, including reports of unexpectedly high transmission of light. Many studies have interpreted the optical coupling to the surface in terms of the resonant excitation of surface plasmon polaritons (SPPs), but other approaches involving composite diffraction of surface evanescent waves (CDEW) have also been proposed. Here we present a series of measurements on very simple one-dimensional subwavelength structures to test the key properties of the surface waves, and compare them to the CDEW and SPP models. We find that the optical response of the silver metal surface proceeds in two steps: a diffractive perturbation in the immediate vicinity (2–3 mu m) of the structure, followed by excitation of a persistent surface wave that propagates over tens of micrometres. The measured wavelength and phase of this persistent wave are significantly shifted from those expected for resonance excitation of a conventional SPP on a pure silver surface.

离焦系统下的单分子三维取向研究

提出了一种新思路来确定单分子的三维取向,在全内反射荧光显微成像的基础上,在显微镜的油镜上加一个水层,水和油的折射率不同造成光程差,产生离焦,利用全内反射产生隐失波激发了单分子的纵向分量,并在探测器前增加了一个分光镜,把光路分成偏振方向相互垂直的两束光,使得探测器上的光场分布包含单分子三维取向的信息。推导了隐失场激发的偶极矩光场在探测器上的光强分布表达式,通过分析偏振方向相互垂直的两束光在探测器上的不同的强度分布,来判断单分子偶极矩的三维取向。

Corrections to the paraxial approximation of an arbitrary free-propagation beam

A relatively simple transform from an arbitrary solution of the paraxial wave equation to the corresponding exact solution of the Helmholtz wave equation is derived in the condition that the evanescent waves are ignored and is used to study the corrections to the paraxial approximation of an arbitrary free-propagation beam. Specifically, the general lowest-order correction field is given in a very simple form and is proved to be exactly consistent with the perturbation method developed by Lax et nl. [Phys. Rev. A 11, 1365 (1975)]. Some special examples, such as the lowest-order correction to the paraxial approximation of a fundamental Gaussian beam whose waist plane has a parallel shin from the z = 0 plane, are presented. (C) 1998 Optical Society of America.

Scattering by two degenerate anisotropic modes in square-lattice dielectric photonic crystals

We systematically investigate the square-lattice dielectric photonic crystals that have been used to demonstrate flat slab imaging experimentally. A right-handed Bloch mode is found in the left-handed frequency region by using the plane wave expansion method to analyze the photonic band structure and equifrequency contours. Using the multiple scattering theory, numerical simulations demonstrate that the left-handed mode and the right-handed mode are excited simultaneously by a point source and result in two kinds of transmitted waves. Impacted by the evanescent waves, superposition of these transmitted waves brings on complicated near field distributions such as the so-called imaging and its disappearance.

On the dynamic readout of sub-diffraction-limit pit arrays with a silver thin film

Fast moving arrays of periodic sub-diffraction-limit pits were dynamically read out via a silver thin film. The mechanism of the dynamic readout is analysed and discussed in detail, both experimentally and theoretically. The analysis and experiment show that, in the course of readout, surface plasmons can be excited at the silver/air interface by the focused laser beam and amplified by the silver thin film. The surface plasmons are transmitted into the substrate/silver interface with a large enhancement. The surface waves at the substrate/silver interface are scattered by the sinusoidal pits of sub-diffraction-limit size. The scattered waves are collected by a converging lens and guided into the detector for the readout.

Number of degrees of freedom in inverse diffraction

The problem of inverse diffraction from plane to plane is considered in the case where a finite aperture exists in the boundary plane. Singular values and singular functions for the problem are introduced, and the number of degrees of freedom is defined in terms of the distribution of the singular values. Numerical computations are presented for the one-dimensional problem, and it is shown that the effect of evanescent waves disappears at a distance of approximately one wavelength from the boundary plane, even when the dimension of the slit is comparable with the wavelength of the diffracted field. © 1983 Taylor & Francis Group, LLC.

Convergence acceleration of the doubly periodic Green's function for the analysis of thin wire arrays

A method is proposed to accelerate the evaluation of the Green's function of an infinite double periodic array of thin wire antennas. The method is based on the expansion of the Green's function into series corresponding to the propagating and evanescent waves and the use of Poisson and Kummer transformations enhanced with the analytic summation of the slowly convergent asymptotic terms. Unlike existing techniques the procedure reported here provides uniform convergence regardless of the geometrical parameters of the problem or plane wave excitation wavelength. In addition, it is numerically stable and does not require numerical integration or internal tuning parameters, since all necessary series are directly calculated in terms of analytical functions. This means that for nonlinear problem scenarios that the algorithm can be deployed without run time intervention or recursive adjustment within a harmonic balance engine. Numerical examples are provided to illustrate the efficiency and accuracy of the developed approach as compared with the Ewald method for which these classes of problems requires run time splitting parameter adaptation.

Design. Fabrication and Characterization of Fiber Optic Sensors for Physical and Chemical Applications

Advent of lasers together with the advancement in fiber optics technology has revolutionized the sensor technology. Advancement in the telemetric applications of optical fiber based measurements is an added bonus. The present thesis describes variety of fiber based sensors using techniques like micro bending, long period grating and evanescent waves. Sensors to measure various physical and chemical parameters are described in this thesis.

Design and Development of Fiber Optic Sensors for Trace Detection of Certain Environmental Pollutants

In recent years,photonics has emerged as an essential technology related to such diverse fields like laser technology,fiber optics,communication,optical signal processing,computing,entertainment,consumer electronics etc.Availabilities of semiconductor lasers and low loss fibers have also revolutionized the field of sensor technology including telemetry. There exist fiber optic sensors which are sensitive,reliable.light weight and accurate devices which find applications in wide range of areas like biomedicine,aviation,surgery,pollution monitoring etc.,apart from areas in basic sciences.The present thesis deals with the design,fabrication and characterization of a variety of cost effective and sensitive fiber optic sensors for the trace detetction of certain environment pollutants in air and water.The sensor design is carried out using the techniques like evanescent waves,micro bending and long period gratings.

Wave equation depth migration using complex Padé approximation

Propomos um novo método de migração em profundidade baseado na solução da equação da onda com densidade constante no domínio da freqüência. Uma aproximação de Padé complexa é usada para aproximar o operador de evolução aplicado na extrapolação do campo de ondas. Esse método reduz as imprecisões e instabilidades devido às ondas evanescentes e produz imagens com menos ruídos numéricos que aquelas obtidas usando-se a aproximação de Padé real para o operador exponencial, principalmente em meios com fortes variações de velocidades. Testes em dados de afastamento nulo do modelo de sal SEG/EAGE e nos dados de tiro comum 2-D Marmousi foram realizados. Os resultados obtidos mostram que o método de migração proposto consegue lidar com fortes variações laterais e também tem uma boa resposta para refletores com mergulhos íngremes. Os resultados foram comparados àqueles resultados obtidos com os métodos split-step Fourier (SSF), phase shift plus interpolarion (PSPI) e Fourier diferenças-finitas (FFD).

Migração por equação de onda em meios anisotrópicos com correção de amplitude

Este trabalho discute dois aspectos da migração em profundidade através da continuação para baixo dos campos de onda: o tratamento de modos evanescentes e a correção da amplitude dos eventos migrados. Estes dois aspectos são discutidos em meios isotrópicos e para uma classe de meios anisotrópicos. Migrações por diferenças finitas (FD) e por diferenças finitas e Fourier (FFD) podem ser instáveis em meios com forte variação lateral de velocidade. Estes métodos utilizam aproximações de Padé reais para representar o operador que descreve a propagação de ondas descendentes. Estas abordagens não são capazes de tratar corretamente os modos evanescentes, o que pode levar à instabilidades numéricas em meios com forte variação lateral de velocidade. Uma solução possível para esse problema é utilizar aproximação de Padé complexa, que consegue melhor representar os modos evanescentes associados às reflexões pós-críticas, e neste trabalho esta aproximação é utilizada para obter algoritmos FD e híbrido FD/FFD estáveis para migração em meios transversalmente isotrópicos com eixo de simetria vertical (VTI), mesmo na presença de forte variação nas propriedades elásticas do meio. A estabilidade dos algoritmos propostos para meios VTI foi validada através da resposta ao impulso do operador de migração e pela sua aplicação na migração de dados sintéticos, em meios fortemente heterogêneos. Métodos de migração por equação de onda em meios heterogêneos não tratam corretamente a amplitude dos eventos durante a propagação. As equações de onda unidirecionais tradicionais descrevem corretamente apenas a parte cinemática da propagação do campo de onda. Assim, para uma descrição correta das amplitudes deve-se usar as equações de onda unidirecionais de amplitude verdadeira. Em meios verticalmente heterogêneos, as equações de onda unidirecionais de amplitude verdadeira podem ser resolvidas analiticamente. Em meios lateralmente heterogêneos, essas equações não possuem uma solução analítica. Mesmo soluções numéricas tendem a ser instáveis. Para melhorar a compensação de amplitude na migração, em meios com variação lateral de velocidade, é proposto uma aproximação estável para solução da equação de onda unidirecional de amplitude verdadeira. Esta nova aproximação é implementada nas migrações split-step e diferenças finitas e Fourier (FFD). O algoritmo split-step com correção de amplitude foi estendido para meios VTI. A migração pré e pós-empilhamento de dados sintéticos, em meios isotrópicos e anisotrópicos, confirmam o melhor tratamento das amplitudes e estabilidade dos algoritmos propostos.

Migração FD e FFD com aproximações de grande abertura angular

Métodos de migração baseados na equação da onda unidirecional apresentam limitações no imageamento de refletores com forte mergulho e no tratamento de ondas evanescentes. Utilizando a expansão de Padé complexa na solução da equação da onda unidirecional para imageamento em geofísica é possível tratar ondas evanescentes, estabilizando a migração e dispensando um tratamento especial para absorção nas fronteiras do domínio. Utilizando várias parcelas na expansão de Padé, refletores com forte mergulho podem ser corretamente migrados. Nesta dissertação aplicamos a equação da onda unidirecional com expansão de Padé complexa para implementar dois algoritmos de migração em profundidade pré e pós empilhamento: a migração por diferenças finitas (FD) e a migração por diferenças finitas e Fourier (FFD). O estudo das curvas de dispersão e da resposta impulsiva dos operadores de migração nos permitiu escolher o número adequado de parcelas na expansão de Padé e os coeficientes da expansão que garantem estabilidade à continuação do campo de onda para um ângulo de mergulho máximo prescrito. As implementações foram validadas nos dados Marmousi e no modelo de domo de sal da SEG/EAGE mostrando que refletores com forte mergulho foram corretamente migrados, mesmo na presença de forte variação lateral de velocidade. Esses resultados são comparados com outros métodos de migração baseados na equação da onda unidirecional ressaltando a qualidade da aproximação estudada neste trabalho.

Messung dynamischer Prozesse in der Nähe von Grenzflächen mit Hilfe neu entwickelter Lichtstreumethoden

Die vorliegende Arbeit behandelt die Entwicklung und Erprobung zweier neuer dynamischer Lichtstreumethoden: Die Resonanz verstärkte Lichtstreuung (REDLS: resonance enhanced dynamic light scattering) und die Wellenleiter verstärkte Lichtstreuung (WEDLS: waveguide enhanced dynamic light scattering). Beide Methoden verwenden eine Kombination aus evaneszenten Wellen und dynamischer Lichtstreuung: Bei der REDLS-Technik wird das evaneszentes Feld eines Oberflächenplasmons verwendet, bei der WEDLS-Technik handelt es sich um das evaneszente Feld von Metallfilm verstärkten Leckwellenleitermoden. Die neuen Methoden liefern Informationen über die Dynamik an Grenzflächen über ein breites Zeitfenster (einige Nanosekunden bis hin zu mehreren Sekunden) mit einer räumlichen Auflösung im sub-Mikrometerbereich. Sie erweitern somit das Gebiet der dynamischen Lichtstreuung in evaneszenter Geometrie, bei dem bislang nur die evanescent wave dynamic light scattering (EWDLS) - Technik zur Verfügung stand. Bei der EWDLS-Technik wird das evaneszente Feld der Totalreflexion als kohärenter Lichtstrahl für die dynamische Lichtstreuung verwendet. Ein Vergleich mit der EWDLS-Technik zeigt ein stark erhöhtes Signal/Rausch-Verhältnis bei den neu entwickelten Techniken aufgrund der resonanten Anregung. Zusätzlich ist es sowohl bei der REDLS- als auch bei der WEDLS-Technik möglich Grenzflächenmodifikationen und damit z.B. Adsorptionsprozesse zu detektieren. Der Einfluss einer Grenzfläche auf die Diffusion von PS-Latex-Partikeln wurde untersucht. Die Grenzfläche bestand im Fall der REDLS-Technik aus Gold, bei der WEDLS-Technik aus PMMA. Die Funktionsweise und die Gültigkeit der neu entwickelten Techniken wurde mit Hilfe von PS-Latex-Partikeln mit hydrodynamischen Radien von R =11nm bis hin zu R=204nm demonstriert.