Фізика
Фізика

Фізики позбулися бічних хвиль під час оптичних суперколивань

Суперколивання є альтернативним способом покращити роздільну здатність, наприклад, оптичних мікроскопів, завдяки доланню дифракційної межі. Однак, часто їхнє утворення супроводжується сильними бічними коливаннями, які утворюють небажане випромінювання у небажаних напрямках. У своїй роботі вченим вдалося експериментально і теоретично створити таку форму суперколивальної хвилі, що вона усунула бічні та дала змогу субхвильовим структурам поширитися на великі відстані. Про долання дифракційної межі та підвищення роздільної здатності суперколивальних лінз вчені повідомили у журналі Advanced Photonics.

Суперколивальні хвилі без бічних пелюсток утворені із місяцеподібних наноструктур. Розподіл інтенсивності дифракційних світлових хвиль у поперечній площині на різних відстанях: (a) z = 4,9 мікрометра, (b) z = 5,5 мікрометра та (c) z = 6,2 мікрометра. Hu et al. / Advanced Photonics, 2021

Суперколивальні хвилі без бічних пелюсток утворені із місяцеподібних наноструктур. Розподіл інтенсивності дифракційних світлових хвиль у поперечній площині на різних відстанях: (a) z = 4,9 мікрометра, (b) z = 5,5 мікрометра та (c) z = 6,2 мікрометра. Hu et al. / Advanced Photonics, 2021

Що таке суперколивання?

У класичній оптиці принциповим обмеженням роздільної здатності оптичних систем виступає дифракція.Спроможність оптичних приладів розрізняти дрібні деталі обмежив у 1873 році фізик Ернс Аббе, який показав, що через хвильову природу світла роздільну здатність неможливо нескінченно покращувати. Так мінімальний розмір деталей, доступних спостереженню в класичний оптичний мікроскоп, є часткою від половини довжини світлової хвилі, поділеної на коефіцієнт заломлення середовища між об'єктивом мікроскопа і об'єктом спостереження. Це пов'язано з тим, що дифракційна світлова хвиля з високою просторовою частотою, експоненціально загасає з відстанню, тобто не може далеко перенести інформацію про зображення.

Однак, вчені все ж навчилися дещо обходити дифракційну межу та розглядати об'єкти, розміри яких набагато менші довжини хвилі того світла, що створює зображення цих об'єктів. Так, наприклад, використовуються ті ж згасаючі хвилі за допомогою супер- або гіперлінз, які можуть формувати з них зображення. Однак, вони обмежують роботу на відстанях менших, ніж довжина хвилі, та іноді спотворюють зображення. Як альтернативу вчені пропонують використовувати ще один тип хвиль - суперколивання. Це локальні коливання, які перевищують швидкість найшвидших компонент Фур'є, а тому дозволяють формувати скільки завгодно малі оптичні елементи. Локалізовану пляму сфокусованого світлового променя створюють, застосовуючи правильно сконструйовані концентричні кільцеві зіниці. Так дифракційну межу Аббе можна відкинути через суперколивальні лінзи (superoscillatory lenses, SOLs). Ці лінзи складаються з правильно розроблених розсіюючих поверхонь (зазвичай щілинних кілець), які генерують інтерференційні картини, коли сигнал коливається локально швидше, ніж найвищий компонент Фур'є, збуджений структурою. Втім, водночас із цими суперколиванням, з'являються і так звані бічні «пелюстки» або хвилі, які обмежують поле зору.

Чим вчених не влаштовують бічні хвилі?

Якщо подивитися на поширення світла у полярній системі координат, головний промінь або пелюстка, яка містить більш високу потужність, супроводжується «бічними пелюстками», які являють зазвичай небажане випромінювання в небажаних напрямках. Вони обмежують поле зору, а тому і практичне застосування суперколивань. Обмежити їхній вплив можна, наприклад, регулюючи кільця в оптичному приладі. Однак, це неминуче збільшує головну пелюстку, що знову ж таки, викликає більше бічних, які спотворюють зображення. Через це вчені шукають компроміс між простою у розробці структурою, яка може генерувати хвилі з помітними розмірами елементів при збереженні великого поля зору.

Як їх позбутися?

У своїй роботі вчені представили нову форму суперколивальної хвилі, яка не тільки передає значний розмір елементів аж до глибоких субхвиль, тобто і у масштабі, меншому за довжину хвилі, а і повністю усуває бічні пелюстки у певному вимірі. Для цього вони створили механізм, заснований на парі місяцеподібних отворів з гострими краями, який дає змогу генерувати надзвичайно локалізований хвильовий пакет з розміром елемента, який може виходити далеко за дифракційну межу. Бічні пелюстки зникають обертанням цих отворів, що робить техніку стійкою до змін параметрів світла, таких як довжина хвилі і поляризація, а системи з ними можна створювати і зі структурованих світлових пучків, і з векторних, і з суперколивальних. Створена вченими суперколивальна світлова хвиля має потенційні застосування, наприклад, для посилення взаємодії світла і речовини у наномасштабах, а також для побудови зображень з надвисокою роздільною здатністю.

Електронна мікрофотографія зразка, використаного для експерименту. Hu et al. / Advanced Photonics, 2021

Електронна мікрофотографія зразка, використаного для експерименту. Hu et al. / Advanced Photonics, 2021

Що для цього потрібно?

Місяцеподібні отвори із золотої плівки товщиною всього у 50 нанометрів та хрому, товщиною у десять, нанесли на скляну підкладку за допомогою ультрафіолетової літографії. На одній підкладці вміщувалися по дві такі структури, діаметрами у 8 і 15 мікрометрів. Далі лінійно поляризований гелій-неоновий лазер, що працює на довжині хвилі у 633 нанометрів висвітлив отвори через підкладку, а вчені, зміщуючи лінзу об'єктива, отримували суперколивальну хвилю. Невелика дифракція в головному пелюстку вказує на те, що відповідальні за ближню зону субхвильові характеристики, зберігаються до критичної відстані z, де суперколивання зникають. Наприклад, для невеликого зразка діаметром у 8 мікрометрів, вона складає 6 мікрометрів, а для другого збільшується до 9,6.