ЛИНЗА

Полезная модель относится к линзам и, в частности, хотя и не исключительно, к оптическим объективам для фокусировки электромагнитного излучения в локальную область с субдифракционными размерами и может быть применено, например, в ближнепольных микроскопах, в фотоприемниках.
Известны оптические системы на основе диэлектрических линз (Зелкин Е.Г., Петрова Р.А. Линзовые антенны. М.: Советское радио, 1974). Для построения оптических систем используются также более сложные линзы, например, линза Ротмана и линза Люнеберга (Корнблит С., СВЧ оптика, М.: «Связь», 1980).
Диаметр пятна Эйри h определяется так называемым критерием Рэлея, который устанавливает предел концентрации (фокусировки) электромагнитного поля с помощью оптических систем [Борн М., Вольф Э., Основы оптики // - М.:Наука. - 1970]:
-1
h=2.44 λFD,
где λ - длина волны излучения, D - диаметр первичного зеркала или линзы оптической системы, F - фокусное расстояние оптической системы.
Диаметр пятна Эйри h является важным параметром оптической системы, который определяет ее собственную разрешающую способность в фокальной плоскости и определяет качество получаемого изображения. Он показывает минимальное расстояние между полем точечных источников в фокальной плоскости, которое способна зарегистрировать данная оптическая система. Максимальное разрешение идеальной оптической системы не может превышать величины λ/2.
Недостатком данных линзовых устройств является низкое пространственное разрешение, ограниченное дифракционным пределом формирующей системы.
Преодолеть дифракционный предел в оптике можно различными способами, например, с помощью эффекта «фотонной наноструи» (например, см. A.Heifetz et al. Experimental confirmation of backscattering enhancement induced by a photonic jet // Appl.Phys.Lett., 89, 221118 (2006)). Поперечный размер фотонной наноструи составляет 1/3…1/4 длины волны излучения, что меньше дифракционного предела классической линзы.
Известна сферическая линза, выполненная в виде слабопоглощающей диэлектрической частицы с диаметром, сравнимым с длиной волны падающего излучения для формирования фотонной струи, обладающей свойствами сверхразрешения [Гейнц Ю.Э., Земляное А.А., Панина Е.К. Сравнительный анализ пространственных форм фотонных струй от сферических диэлектрических микрочастиц // Оптика атмосферы и океана. 2012. Т. 25, №5, С. 417-424].
Фотонная струя возникает в области теневой поверхности диэлектрических микросферических частиц - в т.н. ближней зоне дифракции - и характеризуется сильной пространственной локализацией и высокой интенсивностью оптического поля в области фокусировки.
9
127
Позднее возможность получения фотонных наноструй были изучены для диэлектрических осесимметричных тел, например, эллиптических цилиндрических частиц [Минин И.В., Минин О.В. Квазиоптика: современные тенденции развития - Новосибирск: СГУГиТ, 2015. - 163 с.; T. Jalalia and D. Erni. Highly confined photonic nanojet from elliptical particles // Journal of Modern Optics, Vol. 61, No. 13, 1069-1076 (2014).], многослойных слоисто-неоднородных микросферических частиц с радиальным градиентом коэффициента преломления [César Méndez Ruiz and Jamesina J. Simpson. Detection of embedded ultrasubwavelength-thin dielectric features using elongated photonic nanojets // 2 August 2010 / Vol. 18, No. 16 / OPTICS EXPRESS 16805], а также полусфер [Cheng-Yang Liu. Photonic nanojet shaping of dielectric non-spherical microparticles // Physica E 64 (2014), pp. 23-28.], дисков [B. Luk`yanchuk, N. I.Zheludev, S. A. Maier, N. J. Halas, P. Nordlander, H. GiessenandT.C. Chong. The Fano resonance in plasmonic nanostructures and metamaterials. Nat. Mater., 707-715 (2010); C-Y. Liu and C-C. Li. Photonic nanojet induced modes generated by a chain of dielectric microdisks. Optik , 267-273 (2016).], цилиндра-сферы [Jinlong Zhu and Lynford L. Goddard. Spatial control of photonic nanojets // Optics Express, Vol. 24, No. 26, 2016, 30445].
,
.
Так же было обнаружено, что фотонные струи могут быть сформированы несимметричными мезоразмерными диэлектрическими частицами, например, куб, усеченный шар, пирамида, усеченная пирамида, круговой конус, призма, объемный шестигранник и т.д. [I.V.Minin and O.V.Minin. Diffractive optics and nanophotonics: Resolution below the diffraction limit, Springer, 2016 http://www.springer.com/us/book/9783319242514#aboutBook; V. Pacheco-Pena, M. Beruete, I. V. Minin and O. V. Minin. Terajets produced by 3D dielectric cuboids. Appl. Phys. Lett. 105 084102 (2014); I.V. Minin,O. V. Minin and Geintz Y.E. Localized EM and photonic jets from non-spherical and non-symmetrical dielectric mesoscale objects: brief review. Annalen der Physik (AdP), May 2015 DOI: 10.1002/andp.201500132; Yu. E. Geintz, A. A. Zemlyanov and E. K. Panina. Photonic Nanonanojets from Nonspherical Dielectric Microparticles. Russian Physics Journal 58, 904-910 (2015); Yu. E. Geints, A. A. Zemlyanov and E. K. Panina. Characteristics of photonic jets from microcones.Optics and Spectroscopy 119, 849-854 (2015); И.В.Минин, О.В.МининФотоника изолированных диэлектрических частиц произвольной трехмерной формы - новое направление оптических информационных технологий // "Вестник НГУ. Серия: Информационные технологии". 2014, №4, С.4-10.].
В результате проведенных исследований, было обнаружено, что диэлектрические мезочастицы, например в форме куба или сферы, с характерным размером не менее λ/2, где λ - длина волны используемого излучения, с коэффициентом преломления материала лежащего в диапазоне примерно от 1.2 до 2.0, при ее облучении электромагнитной волной со сферически сходящимся или плоским волновым фронтом, формируют на ее внешней границе с противоположной стороны от падающего излучения локальную область с повышенной интенсивностью излучения с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4 и протяженностью не более 10 λ.
При характерных размерах мезоразмерной частицы менее λ/2, локальная концентрация электромагнитного поля вблизи поверхности частицы не возникает.
При коэффициенте преломления материала мезоразмерной частицы менее 1.2, поперечный размер локальной области концентрации поля становится порядка дифракционного предела и может быть обеспечен формирующей системой. При коэффициенте преломления материала мезоразмерной частицы более 2.0, локальная концентрация электромагнитного поля возникает внутри частицы и не может быть использована для облучения исследуемого объекта.
Однако такие мезоразмерные диэлектрические частицы сложно использовать в качестве фокусирующих устройств, как по отдельности, так и в качестве монослоя из-за трудности их закрепления в реальных устройствах.
В качестве прототипа выбрана линза по патенту WO 2015025174 A1. Линза содержит твердый и прозрачный для используемого излучения слой, в котором размещено множество сферических или сфероидных прозрачных частиц, образуя монослой, так что соответствующий оптический фокус каждой из частиц находится вне слоя.
Линза согласно прототипа приспособлена для работы в режиме виртуального изображения ближнего поля, в котором объект расположен в пределах фокусного расстояния прозрачной частицы.
Недостатком линзы является сложность устройства и трудность обеспечения совместимости с другими микро- и нано-устройствами.
Задачей настоящей полезной модели является устранение указанных недостатков, а именно упрощения устройства линзы.
Указанная задача достигается тем, что линза, состоящая из прозрачного для падающего излучения диэлектрического слоя, в котором размещена одна или несколько мезоразмерных диэлектрических частиц, при этом оптический фокус каждой частицы находится вне диэлектрического слоя, отличается тем, что частицы выполнены из материала с относительным показателем преломления по отношению к показателю преломления среды окружающей частицу, примерно от 1.2 до 2 и с характерным размером не менее λ, где λ - длина волны падающего излучения, и формирующие непосредственно на своей теневой границе фотонную струю с пространственным разрешением, превышающим дифракционный предел.
Кроме того, на поверхности мезоразмерные частички, обращенной к падающему оптическому излучению, может быть нанесен слой материала, не пропускающего падающее на частицу излучение, при этом поперечные размеры этого материала составляют 0,1-0,8 от максимального поперечного размера частицы.
Кроме того, все мезоразмерные частички имеют одинаковый характерный размер.
Кроме того, мезоразмерные частички имеют различный характерный размер.
Кроме того, мезоразмерные частички имеют форму, например, кубика.
Кроме того, мезоразмерные частички имеют форму, например, пирамиды.
Кроме того, мезоразмерные частички имеют форму, например, кругового конуса.
Кроме того, мезоразмерные частички имеют форму, например, цилиндра.
Кроме того, мезоразмерные частички имеют форму, например, кругового столба.
Кроме того, что все мезоразмерные частички имеют одинаковую форму.
Кроме того, мезоразмерные частички имеют различную форму.
Полезная модель поясняется чертежами.
На фиг. 1 показан пример формирования фотонной струи диэлектрическими частицами в виде сферы (а), куба (б), шестигранника (в-г), конуса (д-е).
На фиг. 2 приведен пример схемы предлагаемой линзы при показателе преломления материала подложки менее показателя преломления материала мезоразмерной диэлектрической частицы.
На фиг. 3 приведен вариант схемы предлагаемой линзы при показателе преломления материала подложки, равным показателю преломления материала мезоразмерной диэлектрической частицы, при этом частица может иметь, например, форму куба или кругового конуса или пирамиды или кругового столба.
На фиг. 4 пример мезоразмерной диэлектрической частицы в виде кругового столба с нанесенным слоем материала, не пропускающего падающее на частицу излучение.
На фигурах обозначены: 1 - падающее на линзу излучение, 2 - прозрачный слой с показателем преломления материала подложки менее показателя преломления материала мезоразмерной диэлектрической частицы, 3 - мезоразмерная диэлектрическая частица, 4 - фотонная струя, 5 - прозрачный слой с показателем преломления материала подложки равным показателя преломления материала мезоразмерной диэлектрической частицы, 6 - слой материала, не пропускающего падающее на мезоразмерную частицу излучение, при этом поперечные размеры этого материала составляют 0,1-0,8 от максимального поперечного размера частицы, 7 - мезоразмерная частица на теневой поверхности слоя 5.
Заявляемая линза работает следующим образом.
Падающее на линзу излучение 1, со сферически сходящимся или плоским волновым фронтом, попадает на прозрачный для излучения слой 2, в котором размещена одна или несколько мезоразмерных диэлектрических частиц 3, при этом показатель преломления материала слоя 2 менее показателя преломления материала мезоразмерной диэлектрической частицы 3 и относительный показатель преломления материала частицы, по отношению к показателю преломления материала частицы находится в интервале от 1.2 до 2.0, фиг. 2. В результате интерференции излучения и фокусировки поверхностных волн формируется фотонная струя 4 с пространственным разрешением, превышающим дифракционный предел. В качестве мезоразмерных частиц могут быть использованы частицы различной формы.
Мезоразмерные частички 3 могут быть выполнены из полупроводникового материала, прозрачные для освещающего излучения, например, кремния или германия или арсенида галлия.
В случае, когда показатель преломления материала слоя 5 равен показателю преломления мезоразмерной частицы 7 и относительный показатель преломления материала частицы, по отношению к показателю преломления окружающей среды, например, воздуха находится в интервале от 1.2 до 2.0, при освещении слоя 5 излучением 1 со сферически сходящимся или плоским волновым фронтом, частица 7 формирует фотонную струю 4, фиг. 3. В этом случае, мезоразмерные частицы 7 размещаются на теневой поверхности слоя 5. Выполнение линзы из одного материала упрощает технологию ее изготовления.
Закрепление мезоразмерных частиц с различной формой поверхности на или в слое материала прозрачного для освещающего излучения позволяет реализовать и упростить устройства сканирования сфокусированным излучением, за счет перемещения линзы, например, в оптических микроскопах.
Падающее на мезоразмерную частицу 3 излучение 1 линзу интерферирует материала частицы 3, формируя фотонную струю 4. Поскольку на входной (по отношению к направлению падения излучения) поверхности диэлектрической частицы располагается слой материала, не пропускающего падающее излучение 6 (маска), волновой фронт внутри частицы искажается более сильно, по сравнению с частицей без слоя материала, не пропускающего падающего излучения, и в результате конструктивной интерференции формируется область повышенной концентрации поля в виде фотонной струи 4, фиг. 4.
Конкретное значение величины экранирования поверхности частицы определяется в зависимости от назначения устройства и требуемых оптимальных параметров струи и находится в диапазоне от 0.1 до 0.8 характерного размера частицы.
В результате экспериментов сравнивались диэлектрические частицы с коэффициентом преломления равным 1.46, формирующие фотонные струи сферической формы диаметром L=3λ, в форме куба с величиной ребра L=3λ и в форме круглого столба с диаметром равным длине цилиндра и равным 3λ. Во всех случаях поперечные размеры слоя материала, не пропускающего излучения, равнялись 3/2λ.
В результате исследования было установлено, что диэлектрическая частица с характерным размером 3λ в форме круглого столба с маской формирует непосредственно на ее теневой границе интенсивность поля на 18.9% больше, чем у сферической частицы и более чем в 2 раза больше для частицы в форме куба.
Толщину слоя 2 предпочтительнее выбирать порядка характерного размера частицы 3, чтобы предлагаемую линзу можно было бы поместить в область фокуса объектива микроскопа или иной системе формирования изображения.
Устройство линзы при показателе преломления материала подложки менее показателя преломления материала мезоразмерной диэлектрической частицы фиксирует мезоразмерные частицы различной формы в диэлектрический, прозрачный для падающего излучения слой и защищает их от воздействия окружающей среды.
Устройство линзы, при показателе преломления материала подложки равным показателю преломления материала мезоразмерной диэлектрической частицы, позволяет упростить устройство линзы и технологию ее изготовления.
Изготовление линзы при показателе преломления материала подложки, равным показателю преломления материала мезоразмерной диэлектрической частицы возможно методами литографии.
В качестве материала слоя могут быть использованы материалы с показателем преломления примерно около 1.5, например, стекло или эластомер, например, силиконовый эластомер (например, полидиметилсилоксаны, «PDMS», показатель преломления 1,4).
2
2
3
3
2
Относительный показатель преломления материала частиц может составлять, около от 1,2 до 2.0. Например, могут быть использованы частицы диоксида кремния (SiO) (показатель преломления около 1,5), или могут быть использованы частицы AlO(показатель преломления около 1,76), или стеклянные частицы BaTiO (показатель преломления около 1,9-2,0), или могут быть использованы частицы TiO (например, показатель преломления от 2,4 до 3,0), или композиционный материал из диоксида кремния-диоксид титана (показатель преломления от 1,4 до 2,7).
Заявляемая линза, кроме того, обеспечивает актуальное расширение приборного арсенала современных фокусирующих систем с субволновыми размерами, формирующих фотонные струи.
Техническим результатом является упрощение устройства линзы для фокусировки фотонной струи.