Достижение превосходного разрешения 0,06–0,11λ в ТГц микроскопии, использующей рутиловую линзу на основе эффекта твердотельной иммерсии Текст научной статьи по специальности «Биотехнологии в медицине»

А „ SSSE5SSS 24-26 октября 2023 г.

^ А -ПРОХОРОвОСИЕ НЕДЕЛИ-

Достижение превосходного разрешения 0,06-0,11Х в ТГц микроскопии, использующей рутиловую линзу на основе эффекта твердотельной иммерсии

Желнов В.А.1, Черномырдин Н.В.1, Катыба Г.М.2, Гавдуш А.А.1, Зайцев К.И.1

1- Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук, Москва 2- Институт физики твердого тела имени Ю.А. Осипьяна Российской академии наук, Черноголовка

Е-mail: vleder.zel@mail. ru

DOI: 10.24412/cl-35673-2023-1-155-157

Подход микроскопии на основе эффекта твердотельной иммерсии был внедрён в терагерцовый (ТГц) диапазон V ~ 10-1-10 ТГц для преодоления дифракционного предела Аббе — 0,5X [1]. Суть эффекта твердотельной иммерсии (ЭТИ) заключается в уменьшении размеров фокального пятна при его формировании в свободном пространстве, на субволновом (< X) расстоянии за плоской поверхностью иммерсионной линзы с высоким показателем преломления (ПП). В таких линзах размер пучка определяется суммарным вкладом как обыкновенной отражённой, так и эванесцентной волн, а последняя возбуждается на плоской поверхности линза-объект из-за явления полного внутреннего отражения (ПВО) [2]. По сравнению с традиционной линзой размер фокального пятна, формируемый линзой на основе ЭТИ, уменьшается на величину, пропорциональную IIII этой линзы [3]. Так при использовании кремниевой линзы (nsi = 3,415) в ТГц-микроскопе на основе ЭТИ было достигнуто рекордное разрешение 0,15^ [3]; а изучение зависимости разрешающей способности данного микроскопа от ПП объекта и потерь показало, что разрешение остается преимущественно субволновым [4]. В дополнение к субволновому разрешению, микроскопия на основе ЭТИ также предлагает повышенную энергоэффективность по сравнению с другими методами визуализации ближнего поля ввиду отсутствия каких-либо субволновых зондов и апертур на оптическом пути.

ТГц-методы визуализации крайне актуальны для биофотоники и биомедицинской диагностики. Описанный ранее микроскоп использовался для визуализации границ и гетерогенности моделей глиом крыс ex vivo [5], а также для изучения гетерогенных

_ _ ггЖЙКЖЙ ФИЗИКА БИОТОГИЧЕСКИХ И МЕДИЦИНСКИХ ПРИЛОЖЕНИЙ

-ПРОХОРОвОСИЕ НЕДЕЛИ-

децеллюляризованных тканей при их взаимодействии с влажной атмосферой [6]. Однако для биомедицинских задач проблема повышения пространственного разрешения остаётся актуальной, поскольку размеры структурных элементов биологических тканей существенно меньше длины волны ТГц-излучения [7]. В данном исследовании представлены результаты по внедрению в описанный подход рутиловой (ТЮ2) линзы, характеризующейся крайне высоким показателем преломления в ТГц диапазоне По = 9,83 и Пе = 13,58 на частоте V = 0,2 ТГц.

На рис. 1 представлены основные результаты нашего исследования. На рис. 1 (а) продемонстрирована схема рутиловой линзы на основе ЭТИ, которая представляет собой асферический широкоапертурный полимерный синглет (не показан), жёстко закрепленную усечённую рутиловую сферу и подвижное рутиловое окно, образующие вместе полноценную полусферу. Для численных симуляций применялся трёхмерный метод конечных элементов в частотной области (FEFD), учитывающий анизотропию рутила. Численные результаты, показанные на рис. 1 (б), предсказывают для рутиловой линзы анизотропное разрешение ду = 0,056 - 0,058^ и дх = 0,084 - 0,102^, предполагая, что электрическое поле Е падающей плоской волны направлено вдоль оси ОХ.

Для проверки результатов численного моделирования в эксперименте были рассмотрены водные смеси пропиленгликоля (PG), 1111 и потери которых монотонно уменьшаются в интервалах noвJ = 2,60 - 1,77 и aoвJ = 100 - 5 см-1, когда концентрация PG Сра увеличивается от 0 до 100 % (по объёму). ТГц оптические свойства этих растворов, как обсуждалось в [5], близки к биотканям и поэтому имеют особое значение для биомедицинских приложений. В эксперименте на рутиловую полусферу помещают полимерную кювету, в основание которой вставляют металлическую лопатку. Кювета либо пуста (воздух), либо заполнена различными жидкостями для формирования границы раздела диэлектрик-металл с варьируемым ПП. На рис. 2 (б) видно, что экспериментальное разрешение для воздуха составляет д = 0,115^, для водных растворов Ра д = 0,067 - 0,127^. Поскольку в нашей установке использовался неполяризованный ТГц излучатель, экспериментальные значения разрешения ожидаемо попадают между численными кривыми,

ШКОЛ А-КОНФЕРЕНЦИЯ

МОЛОДЫХ УЧЁНЫХ

^f А -ПРОХОРОвСКИЕ НЕДЕЛИ-

24-26 октября 2023 г.

предсказанными для двух ортогональных направлении к линеино поляризованному электрическому полю Е.

Водная смесь с С„„ % Во».

Рис. 1. Сравнение теоретических и экспериментальных исследований разрешающей способности рутиловой линзы. Схема композитной рутиловой линзы (а). Сравнение численных и экспериментальных результатов по оценке разрешения линзы для водных смесей PG, измеренных в зависимости от концентрации PG и IIII (б). ТГц микроскопическое изображение границы раздела 100 % PG -металл с резким изменением отражательной способности (в). Профиль интенсивности, оцененный по ТГц изображению на панели (в) и его первой производной вместе со сглаженной аппроксимацией (г).

1. Pimenov A., Loidl A. Appl. Phys. Lett. 2003. 83(20). 4122.

2. Chernomyrdin N., Skorobogatiy M., Ponomarev D., et al. Appl. Phys. Lett. 2022. 120(11). 110501.

3. Chernomyrdin N., Kucheryavenko A., Kolontaeva G., et al. Appl. Phys. Lett. 2018. 113(11). 111102.

4. Zhelnov V., Zaytsev K., Kucheryavenko A., et al. Optics Express. 2021. 29(3). 3553.

5. Chernomyrdin N., Skorobogatiy M., Gavdush A., et al. Optica. 2021. 8(11). 1471.

6. Musina G.R., Chernomyrdin N.V., Gafarova E.R., et al. Biomedical Optics Express. 2021. 12(9). 5368.

7. Smolyanskaya O.A. et al. Prog. Quantum Electron. 2018. 62. 1-7.