Зонная пластинка с субволновым разрешением
ZONE PLATE WITH SUBWAVELENGTH RESOLUTION

Изобретение относится к радиофизике, а именно к дифракционной квазиоптике, и может быть использовано в качестве элемента объективов в устройствах дефектоскопии, радиовидения, ближнепольных микроскопах.
Зонные пластины с большой числовой апертурой и фокусным расстоянием порядка или меньше длины волны излучения представляют существенный интерес как в общефизическом плане, так и с точки зрения получения субволнового (сверхрелеевского) разрешения.
По-видимому, первыми зонными пластинами, используемыми для фокусировки освещающего излучения были: зонная пластинка Френеля, способность которой формировать изображение была отмечена Ш. Соре в 1875 году [Soret J.L. Concerning diffraction by circular gratings // Ann. Phys. Chem. - 1875. - v. 24. - p. 429-451.] и фазовая зонная пластинка с прямоугольным профилем, изготовленная Р. Вудом в 1898 году [Wood R.W. Phase reversed zone plates and diffraction telescopes // Phil. Magazine. - 1898. - v. 24, Ser. 5. - p. 511-522].
Принцип действия зонной пластинки основан на дифракционных явлениях при дифракции волны на зонах зонной пластинки и интерференции синфазных волн в области фокуса.
Зонные пластины применяются в качестве аналога линз от рентгеновского диапазона длин волн до СВЧ, включая акустику [Minin O.V. and Minin I.V. Diffractive optics of millimetre waves. - IOP publisher, London-Bristol, 2004. - 396 p.].
Известна фазовая зонная пластинка [Wood, R. Physical Optics. / R. Wood. - New York: The MacMillan Company, 1911. P. 38], фокусирующая падающее на ее поверхность электромагнитное излучение за счет внесения фазового сдвига величиной в половину длины волны падающего излучения в четных  либо нечетных зонах Френеля. Фазовый сдвиг возникает за счет изменения толщины пластины либо показателя преломления в соответствующих зонах.
Недостатком фазовой бинарной зонной пластинки является низкое пространственное разрешение, не превышающее дифракционного предела.
Первое упоминание об использовании зонных пластин в СВЧ диапазоне относится, по-видимому, к 1936 году [Patent USA № 2.043.347 Clavier A.G., Darbord R.H. Directive radio system. 1939 Jule 9.]. Фазовая зонная пластина с двумя уровнями квантования фазы в СВЧ диапазоне была предложена в 1939 году Edmand Bruce [Patent USA № 2.169.553 Bruce E. Directive radio system. 1939 Aug. 15].
В работах [Sobel F., Wentworh E.L., Wiltse J.C. Quasi optical surface waveguide and other components for the 100- to 1000 Gc/sec region // IRE Trans. Microwave Theory and Techniques. - 1961. - v. MMT-9, № 6.- р. 512-518; Щукин И.И. Формирование радиоизображений фазоинверсными зонными пластинками // Вопросы рассеяния и оптимального приема электромагнитных волн. Воронеж: ВГУ, 1973. - с. 403-406; Minin O.V. and Minin I.V. Diffractive optics of millimetre waves. - IOP publisher, London-Bristol, 2004. - 396 p.] было показано, что фокусирующая способность зонной пластинки с фокусным расстоянием порядка диаметра зонной пластины совпадает с фокусирующей способностью идеальной линзы и не превышает дифракционного предела.
Зонная пластина Френеля и Соре состоит из соосных чередующихся зон, прозрачных и непрозрачных для освещающего излучения, границы радиусов зон которых совпадают с радиусами зон Френеля.
Недостатком зонной пластины Френеля и Соре является низкое пространственное разрешение и низкая эффективность фокусировки, не превышающая 10 %.
Достоинством фазовой зонной пластины является высокая эффективность фокусировки. С увеличением числа уровней квантования фазы увеличивается ее энергетическая эффективность фокусировки.
Недостатком фазовой зонной пластины является низкое пространственное разрешение.
Известны зонные пластины с субволновым разрешением и фокусным расстоянием не более длины волны используемого излучения. Фазовая зонная пластинки с фокусным расстоянием F=0,79λ обеспечила разрешение 0,63λ при фокусировке плоской линейно поляризованной волны [R.G. Mote, S.F. Yu, A. Kumar, W. Zhou, X.F. Li. Experimental demonstration of near-field focusing of a phase micro-Fresnel zone plate (FZP) under linearly polarized illumination // Appl. Phys. B. - 2011. - 102. - P. 95-100.], а в работе рассмотрена фазовая зонная пластина [R.G. Mote, S.F. Yu, W. Zhou, X.F. Li Subwavelength focusing behavior of high numerical-aperture phase Fresnel zone plates under various polarization states // Appl. Phys. Lett. - 2009. - V. 95. - P. 191113.], у которой было достигнуто разрешение 0,39λ.
В работе [I.V. Minin, O.V. Minin, N. Gagnon, A. Petosa. Investigation resolution of phase correcting Fresnel lenses with small values of F/D and subwavelength focus // Компьютерная оптика №30, 2006, с. 65-68] зонная пластина с фокусным расстоянием, равным половине длины волны, обеспечила разрешение равное 0,37λ.
Недостатком зонной пластины с субволновым разрешением является низкое пространственное разрешение.
Известна зонная пластинка с субволновой фокусировкой [Стафеев С.С., О'Фаолейн Л., Шанина М.И., Котляр В.В., Сойфер В.А. Субволновая фокусировка с помощью зонной пластинки Френеля с фокусным расстоянием 532 нм // Компьютерная оптика, т. 35, № 4, 2011, с. 460-461], состоящая из соосных чередующихся зон, выполненных из диэлектрика с показателем преломления N, с дискретом корректировки фазы, который выбирается из ряда δ=2π/М, где М - целое четное число, и фокусным расстоянием не более длины волны используемого излучения. Фазовая бинарная зонная пластинка (М=2) с фокусным расстоянием F=λ обеспечила пространственное разрешение 0,42λ.
Недостатком зонной пластины с субволновым разрешением является низкое пространственное разрешение.
.
Наиболее близким по сущности к заявляемому изобретению и выбранным в качестве прототипа является зонная пластина по патенту РФ 2749059, «Зонная пластина с субволновой фокусировкой (варианты)», МПК H01Q 15/12Зонная пластина с субволновой фокусировкой, состоит из соосных чередующихся зон, выполненных из диэлектрика с показателем преломления N, с дискретом корректировки фазы, который выбирается из ряда δ=2π/М, где М - целое четное число, и фокусным расстоянием не более длины волны используемого излучения, а фазовый профиль зонной пластины выполняется на большем основании усеченного конуса, с высотой конуса, равной фокусному расстоянию зонной пластины, и сужающегося по направлению к фокусу зонной пластины.
Задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков, а именно повышение разрешения зонной пластины, обеспечивая субволновую фокусировку излучения.
Указанная задача достигается тем, что зонная пластина с субволновой фокусировкой, состоящая из соосных чередующихся зон, выполненных из диэлектрика с показателем преломления N, с дискретом корректировки фазы, который выбирается из ряда δ=2π/М, где М - целое четное число, и фокусным расстоянием не более длины волны используемого излучения, с фазовым профилем зонной пластины, выполненным на большем основании усеченного конуса, с высотой конуса, равной фокусному расстоянию зонной пластины, и сужающегося по направлению к фокусу зонной пластины, новым является то, что зонная пластина дополнительно содержит металлическую микроразмерную сферу, расположенную на вершине его конуса. Кроме того, микроразмерная сфера выполнена из диэлектрика с высоким показателем преломления по отношению к окружающему пространству.
Изобретение поясняется чертежом.
На Фиг. 1 приведен пример варианта схемы двухуровневой фазовой зонной пластины с субволновой фокусировкой.
Обозначения: 1 - освещающее излучение, 2 - фазовый профиль зонной пластины, выполненный на большем основании конуса, 3 - коническая насадка в виде усеченного конуса с высотой, равной фокусному расстоянию зонной пластины, 4 – микроразмерная сфера.
Под микроразмерной сферой понимается частица сферической формы с диаметром менее λ/2, где λ - длина волны излучения в окружающей частицу среде.
Зонная пластина с субволновой фокусировкой работает следующим образом.
Источник электромагнитного (лазер, диод Ганна, лампа обратной волны и т.д.) излучения формирует электромагнитную волну 1, который освещает фазовый профиль зонной пластины 2, расположенной непосредственно на основании усеченного конуса 3 с высотой конической насадки равной фокусному расстоянию зонной пластины. При этом фазовый сдвиг возникает, например, за счет изменения толщины зонной пластины 2. В результате дифракции излучения 1 на фазовом профиле зонной пластины возникают фазовые сдвиги падающей волны и при интерференции синфазных волн осуществляется фокусировка падающего излучения в область вершины усеченного конуса 3. При выборе фокусного расстояния не более длины волны падающего излучения осуществляется субволновая фокусировка. При распространении падающего излучения в материале конической насадки 3 генерируются поверхностные волны, которые распространяются по направлению к фокусу зонной пластины по поверхности сужающейся конической насадки 3. Так как высота конической насадки 3 равна фокусному расстоянию зонной пластины, в области вершины усеченного конуса формируется субволновая область фокусировки. Таким образом, происходит усиление концентрации энергии при фокусировке с одновременным увеличением пространственного разрешения. На вершине усеченного конуса расположена микроразмерная сфера 4, выполненная из металла или диэлектрика с высоким показателем преломления по отношению к окружающему пространству.
.
//
Известно, что для достижения субволновой фокусировки излучения могут использоваться металлические или диэлектрические микросферы, выполненные из материалов с высоким показателем преломления [Дегтярев С.А., Устинов А.В., Хонина С.ННанофокусировка с помощью заостренных структурКомпьютерная оптика, 2014, том 38, №4, с. 629-637].
Металлическая микроразмерная сфера (микросферы) или диэлектрическая микроразмерная сфера из материала с высоким показателем преломления способствует концентрации излучения по обе стороны от микросферы перпендикулярно к направлению распространения излучения. Поскольку направление распространения продольной компоненты перпендикулярно оси конуса, максимум интенсивности образуется вблизи поверхности микросферы на продолжении оси конуса. Это приводит к уменьшению диаметра центрального пятна, сформированного такой квазиоптической системой, до размеров, близких к размеру микросферы.
Работает зонная пластина с субволновой фокусировкой следующим образом: электромагнитное излучение 1 с радиальной поляризацией освещает фазовый профиль зонной пластины, выполненный на большем основании конуса 2 и далее проходит к его вершине 3, где суммируется таким образом, что происходит усиление продольной компоненты электромагнитного поля и ослабление поперечных компонент. Продольная компонента огибает микросферу 4 и образует максимум вблизи ее поверхности. Максимум образуется только в месте расположения микросферы 4 и поэтому имеет размер, близкий к размеру микросферы 4.
Известные способы позволяют прикреплять на вершину конуса микрочастицы различных размеров, вплоть до размера в несколько молекул вещества, например, http: //www.htmdt-tips.com/products/group/cp, где описаны консоли субмикронных сфер, присоединенных к самому концу иглы из кремния.
Предлагаемое техническое решение обеспечивает уменьшение размера области фокусировки излучения на оптической оси до размеров, определяемых размерами металлической или диэлектрической микросферы, выполненной из материала с высоким показателем преломления.