Abstract

The solid immersion lens (SIL) is a well-developed near-field optical device for imaging and data storage. Recent experiments have demonstrated high-quality imaging beyond the diffraction limit by nanoscale lenses in an SIL-type implementation [Nature 460, 498 (2009)]; we call these nSIL. A question arises as to what resolution is obtainable with an nSIL. From full three-dimensional, finite-difference time-domain calculations, we demonstrate that the FWHM of the focal spot of an objective-lens–nSIL system can be reduced by greater than 25% compared to a regular macroscopic SIL.

© 2010 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. E. Abbe, Arch. Mikrosk. Anat. 9, 413 (1873).
    [CrossRef]
  2. L. Novotny and B. Hecht, Principles of Nano-Optics(Cambridge U Press, 2006).
  3. S. M. Mansfield and G. S. Kino, Appl. Phys. Lett. 57, 2615 (1990).
    [CrossRef]
  4. B. D. Terris, H. J. Mamin, D. Rugar, W. R. Studenmund, and G. S. Kino, Appl. Phys. Lett. 65, 388 (1994).
    [CrossRef]
  5. D. A. Fletcher, K. B. Crozier, C. F. Quate, G. S. Kino, K. E. Goodson, D. Simanovskii, and D. V. Palanker, Appl. Phys. Lett. 77, 2109 (2000).
    [CrossRef]
  6. D. A. Fletcher, K. B. Crozier, K. W. Guarini, S. C. Minne, G. S. Kino, C. F. Quate, and K. E. Goodson, J. Microelectromech. Syst. 10, 450 (2001).
    [CrossRef]
  7. F. H. Köklü, S. B. Ippolito, B. B. Goldberg, and M. S. Ünlü, Opt. Lett. 34, 1261 (2009).
    [CrossRef] [PubMed]
  8. Q. Wu, G. D. Feke, R. D. Grober, and L. P. Ghislain, Appl. Phys. Lett. 75, 4064 (1999).
    [CrossRef]
  9. S. B. Ippolito, B. B. Goldberg, and M. S. Ünlü, Appl. Phys. Lett. 78, 4071 (2001).
    [CrossRef]
  10. J. Y. Lee, B. H. Hong, W. Y. Kim, S. K. Min, Y. Kim, M. V. Jouravlev, R. Bose, K. S. Kim, I. C. Hwang, L. J. Kaufman, C. W. Wong, P. Kim, and K. S. Kim, Nature 460, 498(2009).
    [CrossRef]
  11. D. A. Fletcher, K. E. Goodson, and G. S. Kino, Opt. Lett. 26, 399 (2001).
    [CrossRef]
  12. Z. Chen, A. Taflove, and V. Backman, Opt. Express 12, 1214 (2004).
    [CrossRef] [PubMed]
  13. A. Devilez, N. Bonod, J. Wenger, D. Gérard, B. Stout, H. Rigneault, and E. Popov, Opt. Express 17, 2089 (2009).
    [CrossRef] [PubMed]
  14. P. Ferrand, J. Wenger, A. Devilez, M. Pianta, B. Stout, N. Bonod, E. Popov, and H. Rigneault, Opt. Express 16, 6930 (2008).
    [CrossRef] [PubMed]
  15. A. Heifetz, S. C. Kong, A. V. Sahakian, A. Taflove, and V. Backman, J. Comput. Theor. Nanosci. 6, 1979 (2009).
    [CrossRef] [PubMed]
  16. A. Taflove, Computational Electrodynamics: the Finite-Difference Time-Domain Method (Artech House, 2005).
  17. Rsoft Design Group. RsoftFullWAVE version 8.2. http://www.rsoftdesign.com
  18. B. Richards and E. Wolf, Proc. R. Soc. London Ser. A 253, 358 (1959).
    [CrossRef]
  19. C. Liu and S. H. Park, Opt. Lett. 29, 1742 (2004).
    [CrossRef] [PubMed]

2009 (4)

F. H. Köklü, S. B. Ippolito, B. B. Goldberg, and M. S. Ünlü, Opt. Lett. 34, 1261 (2009).
[CrossRef] [PubMed]

J. Y. Lee, B. H. Hong, W. Y. Kim, S. K. Min, Y. Kim, M. V. Jouravlev, R. Bose, K. S. Kim, I. C. Hwang, L. J. Kaufman, C. W. Wong, P. Kim, and K. S. Kim, Nature 460, 498(2009).
[CrossRef]

A. Devilez, N. Bonod, J. Wenger, D. Gérard, B. Stout, H. Rigneault, and E. Popov, Opt. Express 17, 2089 (2009).
[CrossRef] [PubMed]

A. Heifetz, S. C. Kong, A. V. Sahakian, A. Taflove, and V. Backman, J. Comput. Theor. Nanosci. 6, 1979 (2009).
[CrossRef] [PubMed]

2008 (1)

2004 (2)

2001 (3)

D. A. Fletcher, K. E. Goodson, and G. S. Kino, Opt. Lett. 26, 399 (2001).
[CrossRef]

D. A. Fletcher, K. B. Crozier, K. W. Guarini, S. C. Minne, G. S. Kino, C. F. Quate, and K. E. Goodson, J. Microelectromech. Syst. 10, 450 (2001).
[CrossRef]

S. B. Ippolito, B. B. Goldberg, and M. S. Ünlü, Appl. Phys. Lett. 78, 4071 (2001).
[CrossRef]

2000 (1)

D. A. Fletcher, K. B. Crozier, C. F. Quate, G. S. Kino, K. E. Goodson, D. Simanovskii, and D. V. Palanker, Appl. Phys. Lett. 77, 2109 (2000).
[CrossRef]

1999 (1)

Q. Wu, G. D. Feke, R. D. Grober, and L. P. Ghislain, Appl. Phys. Lett. 75, 4064 (1999).
[CrossRef]

1994 (1)

B. D. Terris, H. J. Mamin, D. Rugar, W. R. Studenmund, and G. S. Kino, Appl. Phys. Lett. 65, 388 (1994).
[CrossRef]

1990 (1)

S. M. Mansfield and G. S. Kino, Appl. Phys. Lett. 57, 2615 (1990).
[CrossRef]

1959 (1)

B. Richards and E. Wolf, Proc. R. Soc. London Ser. A 253, 358 (1959).
[CrossRef]

1873 (1)

E. Abbe, Arch. Mikrosk. Anat. 9, 413 (1873).
[CrossRef]

Abbe, E.

E. Abbe, Arch. Mikrosk. Anat. 9, 413 (1873).
[CrossRef]

Backman, V.

A. Heifetz, S. C. Kong, A. V. Sahakian, A. Taflove, and V. Backman, J. Comput. Theor. Nanosci. 6, 1979 (2009).
[CrossRef] [PubMed]

Z. Chen, A. Taflove, and V. Backman, Opt. Express 12, 1214 (2004).
[CrossRef] [PubMed]

Bonod, N.

Bose, R.

J. Y. Lee, B. H. Hong, W. Y. Kim, S. K. Min, Y. Kim, M. V. Jouravlev, R. Bose, K. S. Kim, I. C. Hwang, L. J. Kaufman, C. W. Wong, P. Kim, and K. S. Kim, Nature 460, 498(2009).
[CrossRef]

Chen, Z.

Crozier, K. B.

D. A. Fletcher, K. B. Crozier, K. W. Guarini, S. C. Minne, G. S. Kino, C. F. Quate, and K. E. Goodson, J. Microelectromech. Syst. 10, 450 (2001).
[CrossRef]

D. A. Fletcher, K. B. Crozier, C. F. Quate, G. S. Kino, K. E. Goodson, D. Simanovskii, and D. V. Palanker, Appl. Phys. Lett. 77, 2109 (2000).
[CrossRef]

Devilez, A.

Feke, G. D.

Q. Wu, G. D. Feke, R. D. Grober, and L. P. Ghislain, Appl. Phys. Lett. 75, 4064 (1999).
[CrossRef]

Ferrand, P.

Fletcher, D. A.

D. A. Fletcher, K. E. Goodson, and G. S. Kino, Opt. Lett. 26, 399 (2001).
[CrossRef]

D. A. Fletcher, K. B. Crozier, K. W. Guarini, S. C. Minne, G. S. Kino, C. F. Quate, and K. E. Goodson, J. Microelectromech. Syst. 10, 450 (2001).
[CrossRef]

D. A. Fletcher, K. B. Crozier, C. F. Quate, G. S. Kino, K. E. Goodson, D. Simanovskii, and D. V. Palanker, Appl. Phys. Lett. 77, 2109 (2000).
[CrossRef]

Gérard, D.

Ghislain, L. P.

Q. Wu, G. D. Feke, R. D. Grober, and L. P. Ghislain, Appl. Phys. Lett. 75, 4064 (1999).
[CrossRef]

Goldberg, B. B.

F. H. Köklü, S. B. Ippolito, B. B. Goldberg, and M. S. Ünlü, Opt. Lett. 34, 1261 (2009).
[CrossRef] [PubMed]

S. B. Ippolito, B. B. Goldberg, and M. S. Ünlü, Appl. Phys. Lett. 78, 4071 (2001).
[CrossRef]

Goodson, K. E.

D. A. Fletcher, K. B. Crozier, K. W. Guarini, S. C. Minne, G. S. Kino, C. F. Quate, and K. E. Goodson, J. Microelectromech. Syst. 10, 450 (2001).
[CrossRef]

D. A. Fletcher, K. E. Goodson, and G. S. Kino, Opt. Lett. 26, 399 (2001).
[CrossRef]

D. A. Fletcher, K. B. Crozier, C. F. Quate, G. S. Kino, K. E. Goodson, D. Simanovskii, and D. V. Palanker, Appl. Phys. Lett. 77, 2109 (2000).
[CrossRef]

Grober, R. D.

Q. Wu, G. D. Feke, R. D. Grober, and L. P. Ghislain, Appl. Phys. Lett. 75, 4064 (1999).
[CrossRef]

Guarini, K. W.

D. A. Fletcher, K. B. Crozier, K. W. Guarini, S. C. Minne, G. S. Kino, C. F. Quate, and K. E. Goodson, J. Microelectromech. Syst. 10, 450 (2001).
[CrossRef]

Hecht, B.

L. Novotny and B. Hecht, Principles of Nano-Optics(Cambridge U Press, 2006).

Heifetz, A.

A. Heifetz, S. C. Kong, A. V. Sahakian, A. Taflove, and V. Backman, J. Comput. Theor. Nanosci. 6, 1979 (2009).
[CrossRef] [PubMed]

Hong, B. H.

J. Y. Lee, B. H. Hong, W. Y. Kim, S. K. Min, Y. Kim, M. V. Jouravlev, R. Bose, K. S. Kim, I. C. Hwang, L. J. Kaufman, C. W. Wong, P. Kim, and K. S. Kim, Nature 460, 498(2009).
[CrossRef]

Hwang, I. C.

J. Y. Lee, B. H. Hong, W. Y. Kim, S. K. Min, Y. Kim, M. V. Jouravlev, R. Bose, K. S. Kim, I. C. Hwang, L. J. Kaufman, C. W. Wong, P. Kim, and K. S. Kim, Nature 460, 498(2009).
[CrossRef]

Ippolito, S. B.

F. H. Köklü, S. B. Ippolito, B. B. Goldberg, and M. S. Ünlü, Opt. Lett. 34, 1261 (2009).
[CrossRef] [PubMed]

S. B. Ippolito, B. B. Goldberg, and M. S. Ünlü, Appl. Phys. Lett. 78, 4071 (2001).
[CrossRef]

Jouravlev, M. V.

J. Y. Lee, B. H. Hong, W. Y. Kim, S. K. Min, Y. Kim, M. V. Jouravlev, R. Bose, K. S. Kim, I. C. Hwang, L. J. Kaufman, C. W. Wong, P. Kim, and K. S. Kim, Nature 460, 498(2009).
[CrossRef]

Kaufman, L. J.

J. Y. Lee, B. H. Hong, W. Y. Kim, S. K. Min, Y. Kim, M. V. Jouravlev, R. Bose, K. S. Kim, I. C. Hwang, L. J. Kaufman, C. W. Wong, P. Kim, and K. S. Kim, Nature 460, 498(2009).
[CrossRef]

Kim, K. S.

J. Y. Lee, B. H. Hong, W. Y. Kim, S. K. Min, Y. Kim, M. V. Jouravlev, R. Bose, K. S. Kim, I. C. Hwang, L. J. Kaufman, C. W. Wong, P. Kim, and K. S. Kim, Nature 460, 498(2009).
[CrossRef]

J. Y. Lee, B. H. Hong, W. Y. Kim, S. K. Min, Y. Kim, M. V. Jouravlev, R. Bose, K. S. Kim, I. C. Hwang, L. J. Kaufman, C. W. Wong, P. Kim, and K. S. Kim, Nature 460, 498(2009).
[CrossRef]

Kim, P.

J. Y. Lee, B. H. Hong, W. Y. Kim, S. K. Min, Y. Kim, M. V. Jouravlev, R. Bose, K. S. Kim, I. C. Hwang, L. J. Kaufman, C. W. Wong, P. Kim, and K. S. Kim, Nature 460, 498(2009).
[CrossRef]

Kim, W. Y.

J. Y. Lee, B. H. Hong, W. Y. Kim, S. K. Min, Y. Kim, M. V. Jouravlev, R. Bose, K. S. Kim, I. C. Hwang, L. J. Kaufman, C. W. Wong, P. Kim, and K. S. Kim, Nature 460, 498(2009).
[CrossRef]

Kim, Y.

J. Y. Lee, B. H. Hong, W. Y. Kim, S. K. Min, Y. Kim, M. V. Jouravlev, R. Bose, K. S. Kim, I. C. Hwang, L. J. Kaufman, C. W. Wong, P. Kim, and K. S. Kim, Nature 460, 498(2009).
[CrossRef]

Kino, G. S.

D. A. Fletcher, K. E. Goodson, and G. S. Kino, Opt. Lett. 26, 399 (2001).
[CrossRef]

D. A. Fletcher, K. B. Crozier, K. W. Guarini, S. C. Minne, G. S. Kino, C. F. Quate, and K. E. Goodson, J. Microelectromech. Syst. 10, 450 (2001).
[CrossRef]

D. A. Fletcher, K. B. Crozier, C. F. Quate, G. S. Kino, K. E. Goodson, D. Simanovskii, and D. V. Palanker, Appl. Phys. Lett. 77, 2109 (2000).
[CrossRef]

B. D. Terris, H. J. Mamin, D. Rugar, W. R. Studenmund, and G. S. Kino, Appl. Phys. Lett. 65, 388 (1994).
[CrossRef]

S. M. Mansfield and G. S. Kino, Appl. Phys. Lett. 57, 2615 (1990).
[CrossRef]

Köklü, F. H.

Kong, S. C.

A. Heifetz, S. C. Kong, A. V. Sahakian, A. Taflove, and V. Backman, J. Comput. Theor. Nanosci. 6, 1979 (2009).
[CrossRef] [PubMed]

Lee, J. Y.

J. Y. Lee, B. H. Hong, W. Y. Kim, S. K. Min, Y. Kim, M. V. Jouravlev, R. Bose, K. S. Kim, I. C. Hwang, L. J. Kaufman, C. W. Wong, P. Kim, and K. S. Kim, Nature 460, 498(2009).
[CrossRef]

Liu, C.

Mamin, H. J.

B. D. Terris, H. J. Mamin, D. Rugar, W. R. Studenmund, and G. S. Kino, Appl. Phys. Lett. 65, 388 (1994).
[CrossRef]

Mansfield, S. M.

S. M. Mansfield and G. S. Kino, Appl. Phys. Lett. 57, 2615 (1990).
[CrossRef]

Min, S. K.

J. Y. Lee, B. H. Hong, W. Y. Kim, S. K. Min, Y. Kim, M. V. Jouravlev, R. Bose, K. S. Kim, I. C. Hwang, L. J. Kaufman, C. W. Wong, P. Kim, and K. S. Kim, Nature 460, 498(2009).
[CrossRef]

Minne, S. C.

D. A. Fletcher, K. B. Crozier, K. W. Guarini, S. C. Minne, G. S. Kino, C. F. Quate, and K. E. Goodson, J. Microelectromech. Syst. 10, 450 (2001).
[CrossRef]

Novotny, L.

L. Novotny and B. Hecht, Principles of Nano-Optics(Cambridge U Press, 2006).

Palanker, D. V.

D. A. Fletcher, K. B. Crozier, C. F. Quate, G. S. Kino, K. E. Goodson, D. Simanovskii, and D. V. Palanker, Appl. Phys. Lett. 77, 2109 (2000).
[CrossRef]

Park, S. H.

Pianta, M.

Popov, E.

Quate, C. F.

D. A. Fletcher, K. B. Crozier, K. W. Guarini, S. C. Minne, G. S. Kino, C. F. Quate, and K. E. Goodson, J. Microelectromech. Syst. 10, 450 (2001).
[CrossRef]

D. A. Fletcher, K. B. Crozier, C. F. Quate, G. S. Kino, K. E. Goodson, D. Simanovskii, and D. V. Palanker, Appl. Phys. Lett. 77, 2109 (2000).
[CrossRef]

Richards, B.

B. Richards and E. Wolf, Proc. R. Soc. London Ser. A 253, 358 (1959).
[CrossRef]

Rigneault, H.

Rugar, D.

B. D. Terris, H. J. Mamin, D. Rugar, W. R. Studenmund, and G. S. Kino, Appl. Phys. Lett. 65, 388 (1994).
[CrossRef]

Sahakian, A. V.

A. Heifetz, S. C. Kong, A. V. Sahakian, A. Taflove, and V. Backman, J. Comput. Theor. Nanosci. 6, 1979 (2009).
[CrossRef] [PubMed]

Simanovskii, D.

D. A. Fletcher, K. B. Crozier, C. F. Quate, G. S. Kino, K. E. Goodson, D. Simanovskii, and D. V. Palanker, Appl. Phys. Lett. 77, 2109 (2000).
[CrossRef]

Stout, B.

Studenmund, W. R.

B. D. Terris, H. J. Mamin, D. Rugar, W. R. Studenmund, and G. S. Kino, Appl. Phys. Lett. 65, 388 (1994).
[CrossRef]

Taflove, A.

A. Heifetz, S. C. Kong, A. V. Sahakian, A. Taflove, and V. Backman, J. Comput. Theor. Nanosci. 6, 1979 (2009).
[CrossRef] [PubMed]

Z. Chen, A. Taflove, and V. Backman, Opt. Express 12, 1214 (2004).
[CrossRef] [PubMed]

A. Taflove, Computational Electrodynamics: the Finite-Difference Time-Domain Method (Artech House, 2005).

Terris, B. D.

B. D. Terris, H. J. Mamin, D. Rugar, W. R. Studenmund, and G. S. Kino, Appl. Phys. Lett. 65, 388 (1994).
[CrossRef]

Ünlü, M. S.

F. H. Köklü, S. B. Ippolito, B. B. Goldberg, and M. S. Ünlü, Opt. Lett. 34, 1261 (2009).
[CrossRef] [PubMed]

S. B. Ippolito, B. B. Goldberg, and M. S. Ünlü, Appl. Phys. Lett. 78, 4071 (2001).
[CrossRef]

Wenger, J.

Wolf, E.

B. Richards and E. Wolf, Proc. R. Soc. London Ser. A 253, 358 (1959).
[CrossRef]

Wong, C. W.

J. Y. Lee, B. H. Hong, W. Y. Kim, S. K. Min, Y. Kim, M. V. Jouravlev, R. Bose, K. S. Kim, I. C. Hwang, L. J. Kaufman, C. W. Wong, P. Kim, and K. S. Kim, Nature 460, 498(2009).
[CrossRef]

Wu, Q.

Q. Wu, G. D. Feke, R. D. Grober, and L. P. Ghislain, Appl. Phys. Lett. 75, 4064 (1999).
[CrossRef]

Appl. Phys. Lett. (5)

S. M. Mansfield and G. S. Kino, Appl. Phys. Lett. 57, 2615 (1990).
[CrossRef]

B. D. Terris, H. J. Mamin, D. Rugar, W. R. Studenmund, and G. S. Kino, Appl. Phys. Lett. 65, 388 (1994).
[CrossRef]

D. A. Fletcher, K. B. Crozier, C. F. Quate, G. S. Kino, K. E. Goodson, D. Simanovskii, and D. V. Palanker, Appl. Phys. Lett. 77, 2109 (2000).
[CrossRef]

Q. Wu, G. D. Feke, R. D. Grober, and L. P. Ghislain, Appl. Phys. Lett. 75, 4064 (1999).
[CrossRef]

S. B. Ippolito, B. B. Goldberg, and M. S. Ünlü, Appl. Phys. Lett. 78, 4071 (2001).
[CrossRef]

Arch. Mikrosk. Anat. (1)

E. Abbe, Arch. Mikrosk. Anat. 9, 413 (1873).
[CrossRef]

J. Comput. Theor. Nanosci. (1)

A. Heifetz, S. C. Kong, A. V. Sahakian, A. Taflove, and V. Backman, J. Comput. Theor. Nanosci. 6, 1979 (2009).
[CrossRef] [PubMed]

J. Microelectromech. Syst. (1)

D. A. Fletcher, K. B. Crozier, K. W. Guarini, S. C. Minne, G. S. Kino, C. F. Quate, and K. E. Goodson, J. Microelectromech. Syst. 10, 450 (2001).
[CrossRef]

Nature (1)

J. Y. Lee, B. H. Hong, W. Y. Kim, S. K. Min, Y. Kim, M. V. Jouravlev, R. Bose, K. S. Kim, I. C. Hwang, L. J. Kaufman, C. W. Wong, P. Kim, and K. S. Kim, Nature 460, 498(2009).
[CrossRef]

Opt. Express (3)

Opt. Lett. (3)

Proc. R. Soc. London Ser. A (1)

B. Richards and E. Wolf, Proc. R. Soc. London Ser. A 253, 358 (1959).
[CrossRef]

Other (3)

A. Taflove, Computational Electrodynamics: the Finite-Difference Time-Domain Method (Artech House, 2005).

Rsoft Design Group. RsoftFullWAVE version 8.2. http://www.rsoftdesign.com

L. Novotny and B. Hecht, Principles of Nano-Optics(Cambridge U Press, 2006).

Cited By

OSA participates in CrossRef's Cited-By Linking service. Citing articles from OSA journals and other participating publishers are listed here.

Alert me when this article is cited.


Figures (3)

Fig. 1
Fig. 1

(a) Numerical scheme for determining the focal spot width of an nSIL. A linearly polarized (electric field parallel to the x axis) plane wave incident onto an OL with NA = 0.9 is focused onto a face-down nSIL. The FWHM of the electric field intensity ( | E 2 | ) peak on the POI is measured at different relative positions ( Δ z ) of the OL. (b)–(d) Electric field intensity on the y z plane showing the OL–nSIL ( D = 1 μm , H = 0.375 μm ) combined focal region (scale in micrometers) at (b) Δ z = λ , (c) 0, and (d) λ. [(c), (d) inset] Corresponding electric field intensity I POI ( y ) along the plane of interest indicating the FWHM (arrows) and SL intensity.

Fig. 2
Fig. 2

(a),(c) Plots of the FWHM and normalized SL intensity of I POI ( y ) as the OL is shifted toward a (a) face-down and (c) a face-up nSIL ( D = 1.6 μm , H = 0.8 μm ). (b), (d) Electric field intensity distributions (scale in micrometers) in the vicinity of the (b) face-down and (d) the face-up nSIL at Δ z = λ and 2 λ , respectively. These Δ z correspond to the minimal FWHM such that the SL intensity < 0.3 . (The incident OL focused beam propagates in the negative z direction).

Fig. 3
Fig. 3

Focal spot FWHMs of both face-up and face-down, and hemispherical ( H : D = 0.5 ) and subhemispherical ( H : D = 0.375 ) nSILs of varying diameters. The solid (dotted) horizontal line corresponds to the smallest FWHM in the focal region of a NA = 1.44 ( NA = 1.6 ) lens as predicted by the Richards and Wolf vector theory. Different-shaped data points correspond to different positions of the objective lens: Δ z = 0.5 λ (∘), 0 (•), 0.5 λ ( ) , λ ( ) , 1.5 λ ( × ) , and 2 λ ( □ ).

Metrics