Иллюстрация: Ming Lun Tseng et al. / Science Advances, 2022. Физики изготовили металинзу, которая одновременно генерирует и фокусирует когерентное излучение в области вакуумного ультрафиолета. Для этого они использовали метаатомы на основе оксида цинка, генерирующие вторую гармонику. Исследование опубликовано в Science Advances. Свет — это распространенный инструмент исследования или воздействия на маленькие объекты и материалы. Однако оптические методы ограничивает дифракционный предел, который не позволяет сжать луч света в пятно, меньшее, чем длина волны. Из-за этого эффекта в микроскоп невозможно увидеть наночастицы и атомы, а оптическая литография не способна создавать наноструктурированные паттерны. Очевидным выходом из этой ситуации стало использования излучения с меньшей длиной волны. На смену видимому диапазону, таким образом, пришел ультрафиолетовый.
Однако, начиная примерно с двух сотен нанометров, ультрафиолетовая оптика столкнулась с сильным поглощением излучения средой, в том числе и воздухом. Для работы с таким светом воздух в приборе должен быть откачан, поэтому этот диапазон ультрафиолета стали называть вакуумным.
Работа с вакуумным ультрафиолетом (ВУФ) сталкивается с проблемой потерь на оптических компонентах и отсутствии компактных когерентных источников. Существует всего несколько материалов, способных пропускать ВУФ, например, фториды кальция и магния, но они сравнительно хрупкие, что мешает изготавливать из них линзы.
Использование зеркальной оптики решает эту проблему, но значительно увеличивает объем и сложность ВУФ-систем. Те же трудности испытывает генерация лазерного света в ВУФ-диапазоне. Пока для этого используют либо громоздкие эксимерные лазеры, либо генерацию высших гармоник в кристаллах и газах, сильно ограниченную требованиями фазового синхронизма на ВУФ-частотах.
Мин Лунь Tсэн (Ming Lun Tseng) из Национального университета Ян-Мин с коллегами Гонконга, США и Тайваня применили совершенно иной подход для одновременного решения обеих этих проблем. Они создали компактную нелинейную металинзу, которая одновременно генерировала когерентное ВУФ-излучение и фокусировала его в точку. Таким способом излучение удалось сжать в пятно размером чуть меньше двух микрометров.
Фазовый профиль света, создаваемый металинзой при ее облучении плоской волной на 394 нанометрах (симуляция). Ming Lun Tseng et al. / Science Advances, 2022
Пучок параллельного света начинает фокусироваться или расфокусироваться тогда, когда его волновой фронт из плоского становится сферическим (сходящимся или расходящимся). Для этого фаза волны должна по разному измениться в зависимости от расстояния до оси пучка. В обычных линзах этого добиваются с помощью переменной толщины. Металинза работает по другому принципу: в ней за фазовые свойства участка волнового фронта отвечают ее отдельные элементы — метаатомы.
Трехмерный профиль излучения, испущенного фокусирующей металинзой. Ming Lun Tseng et al. / Science Advances, 2022
В работе физиков в роли метаатомов выступали наночастицы оксида цинка, выполненные в виде треугольной призмы толщиной 150 нанометров и стороной 205 нанометров, на поверхности стеклянной подложки. Такие структуры обладали необычными нелинейными свойствами: они удваивали частоту падающего на них света, если тот обладал длиной волны 394 нанометра и круговой поляризацией. Выходящее из метаатомов излучение имело противоположную поляризацию и длину волны 197 нанометров, а фаза волны зависела от ориентации нанопризмы на подложке. Физики использовали последнее свойство и расположили 8400 метаатомов на подложке диаметром 45 микрометров таким образом, чтобы сформировать сходящийся волновой фронт.
Измерение характеристик света, созданного металинзой, показало, что она фокусирует ВУФ-излучение в пятно диаметром 1,7 микрометра и протяженностью вдоль оси 25 микрометров. Эти значения оказались несколько больше расчетных: 0,64 микрометра и 15 микрометров, соответственно. Кроме того, фокусировка увеличивала интенсивность света в самых ярких пикселях в 21 раз вместо расчетных 100. Авторы связали это с дефектами, возникшими при изготовлении металинзы, а также неидеально плоской волной накачки. Тем не менее, даже с такими дефектами созданная металинза уже может быть интегрирована в существующие системы, используемые в биомедицине, материаловедении и нанолитографии.
Металинзы и композитные линзы позволяют физикам работать во множестве известных электромагнитных диапазонах. Кроме ультрафиолета речь идет об инфракрасном, видимом и рентгеновском диапазонах.
Автор: Марат Хамадеев
Источник: https://nplus1.ru/
Понравилась статья? Тогда поддержите нас, поделитесь с друзьями и заглядывайте по рекламным ссылкам!
