ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ СВЕТОВОГО ПЯТНА СУБВОЛНОВОГО РАЗМЕРА
OPTICAL SYSTEM FOR FORMING SUB-WAVELENGTH LIGHT SPOT

Изобретение относится к области оптики, а именно к острой фокусировке электромагнитного излучения, и может быть использовано для высокоразрешающей оптической записи и сканирующей оптической микроскопии.
Известен дифракционный оптический элемент для формирования светового пятна субволнового размера при плоской поляризации падающего излучения (Патент RU №2458372, МПК G02B 27/42, 27/58) на основе круговой дифракционной решетки с периодом, близким к длине волны, выполненной из двух секций.
Такой дифракционный оптический элемент по своей сути является аксиконом и обеспечивает формирование светового пятна субволнового размера на оптической оси. Однако дальнейшее уменьшение диаметра сформированного светового пятна путем уменьшения периода дифракционной решетки невозможно, а кроме того, из-за линейной поляризации освещающего излучения по обеим сторонам от сформированного светового пятна наблюдаются побочные максимумы, образованные поперечными компонентами сфокусированного излучения.
Наиболее близким по сущности к заявляемому изобретению является высокоапертурный рефракционный аксикон, освещаемый излучением с радиальной поляризацией (V.V. Kotlyar, A.A. Kovalev, and S.S. Stafeev, ″Sharp focus area of radially-polarized gaussian beam propagation through an axicon″, Progress In Electromagnetics Research C, Vol. 5, 2008, p. 35-43), представляющий собой конический элемент из преломляющего материала с углом при вершине, обеспечивающим полное внутреннее отражение излучения с радиальной поляризацией, проходящего в сторону вершины конуса параллельно его оси. Такой оптический элемент обеспечивает формирование светового пятна субволнового размера в непосредственной близости (на расстоянии не более половины длины волны) от вершины конуса.
Недостатком данного оптического элемента является то, что размер светового пятна достигает минимума, а интенсивность в пятне максимума при определенных значениях числовой апертуры аксикона (авторы указывают изменение высоты конуса, что эквивалентно изменению числовой апертуры) и при дальнейшем увеличении числовой апертуры световое пятно снова начинает увеличиваться.
Технический результат изобретения - уменьшение диаметра светового пятна при фокусировке электромагнитного излучения.
Технический результат достигается тем, что в известной оптической системе для формирования светового пятна, содержащей высокоапертурный рефракционный аксикон, освещаемый излучением с радиальной поляризацией и представляющий собой конический элемент из преломляющего материала с углом при вершине, обеспечивающим полное внутреннее отражение излучения с радиальной поляризацией, проходящего в сторону вершины конуса параллельно его оси, особенностью является то, что рефракционный аксикон дополнительно содержит металлическую наноразмерную сферу, прикрепленную к вершине его конуса.
На чертеже представлен общий вид оптической системы в разрезе, где показаны: рефракционный аксикон 1, наносфера 2.
Рефракционный аксикон 1 изготовлен из преломляющего материала и имеет угол при вершине, обеспечивающий полное внутреннее отражение излучения, падающего со стороны основания (показано стрелками на фигуре). На вершине рефракционного аксикона 1 прикреплена наноразмерная сфера - наносфера 2, изготовленная из металла.
Принцип действия оптической системы основан на свойстве электромагнитного излучения концентрироваться в непосредственной близости от поверхностей с малыми радиусами кривизны. Излучение с радиальной поляризацией, проходящее через рефракционный аксикон, образует максимум интенсивности в непосредственной близости от вершины рефракционного аксикона. Продольная компонента электромагнитного поля для высокоапертурных оптических элементов гораздо мощнее и больше локализована на оптической оси, чем поперечные компоненты электромагнитного поля. Таким образом, излучение с радиальной поляризацией образует радиально симметричный максимум интенсивности вблизи вершины рефракционного аксикона, в котором превалирует продольная компонента. Металлическая преграда в виде наноразмерной сферы (наносферы) способствует концентрации излучения по обе стороны от наносферы перпендикулярно к направлению распространения излучения. Поскольку направление распространения продольной компоненты перпендикулярно оси конуса, максимум интенсивности образуется вблизи поверхности наносферы на продолжении оси конуса. Это приводит к уменьшению диаметра центрального пятна, сформированного оптической системой, до размеров, близких к размеру наносферы. Современные нанотехнологии, ориентированные на изготовление ближнепольных безапертурных зондов, позволяют прикреплять на вершину конуса наночастицы 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.
Работает оптическая система следующим образом: оптическое излучение с радиальной поляризацией освещает основание рефракционного аксикона 1 и проходит далее к его поверхности. Из-за полного внутреннего отражения излучение выходит наружу только в районе вершины конуса рефракционного аксикона 1, где суммируется таким образом, что происходит усиление продольной компоненты электромагнитного поля и ослабление поперечных компонент. Продольная компонента, распространяясь поперек оси конуса рефракционного аксикона 1, как бы огибает наносферу 2 и образует максимум вблизи ее поверхности. Максимум образуется только в месте расположения наносферы 2 и поэтому имеет размер, близкий к размеру наносферы 2.
Предлагаемое техническое решение обеспечивает уменьшение размера светового пятна на оптической оси до размеров, определяемых размерами металлической наносферы.