CC BY
65
Computational nanotechnology
1-2014
ISSN 2313-223X
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ УСТРОЙСТВ МИКРООПТИКИ 3.5. СУБВОЛНОВАЯ ФОКУСИРОВКА ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Материалы статьи были доложены на 21 Международной конференции по лазерным технологиям (ALT13)
Сойфер Виктор Александрович, доктор техн. наук, профессор, член-корреспондент РАН. Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт систем обработки изображений Российской Академии Наук, Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. П. Королёва (национальный исследовательский университет)
Котляр Виктор Викторович, доктор физ.-мат. наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт систем обработки изображений Российской Аа-кадемии Наук, Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет)
Хонина Светлана Николаевна, доктор физ.-мат. наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт систем обработки изображений Российской Академии Наук, Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет). E-mail: [email protected].
Аннотация: Обсуждаются специальные оптические элементы и устройства для преодоления дифракционного предела. В качестве примеров микрооптических устройств для субволновой фокусировки лазерного излучения рассмотрены планарная бинарная фотонно-кристаллическая линза, зонная пластинка и бинарный спиральный микроаксикон.
Ключевые слова: миерооптика, дифракционный предел, субволновая фокусировка, планарная бинарная фотонно-кристаллическая линза, зонная пластинка, бинарный спиральный микроаксикон
Явление дифракции, которое изначально рассматривалось как ограничивающий фактор в оптике, стало в настоящее время фундаментальной основой создания новой компонентной базы и перспективных информационных технологий. В оптике с 19-го века считалось, что нельзя преодолеть дифракционный предел (ДП), который можно определить как диаметр диска Эйри [1] по полуспаду интенсивности: От,п=0,51А/ЛА, Х- длина волны, ЫА=ттв - числовая апертура, п - показатель преломления среды, в - половина максимального угла схождения лучей в фокус. Недавние исследования показали, что можно преодолеть ДП. Например, используя кольцевую апертуру или радиально-поляризованное излучение [2], можно, за счет увеличения глубины фокуса и потери энергетической эффективности, преодолеть ДП. В этом случае диаметр фокусного пятна будет равен диаметру пучка Бесселя - 0,36Х/ЫА. С помощью дифракционных элементов можно перераспределить световую энергию в боковой лепесток - в кольцо, окружающее фокус. При этом за счет уменьшения энергии в фокусном пятне его диаметр может стать меньше ДП. Это явление называют суперосцилляцией [3]. Если с помощью градиентной или дифракционной оптики сфокусировать свет вблизи поверхности раздела сред, то можно не только увеличить разрешение в п раз (твердотельная иммерсия [4]), но и за счет конструктивной интерференции поверхностных волн преодолеть ДП.
В данной работе показаны конкретные примеры оптических компонент и устройств, с помощью которых
можно преодолеть дифракционный предел. Например, планарная бинарная фотонно-кристаллическая линза, аппроксимирующая градиентную гиперболическую секансную линзу [5] : п=п0еЬ'1(ах), п0 - показатель преломления на оптической оси линзы, а - параметр линзы, определяющий ее фокусное расстояние (рис.1а), фокусирует свет вблизи своей поверхности в фокусное пятно шириной по полуспаду интенсивности равное 0.31А (рис.1б). Такую микролинзу можно использовать для сопряжения двух планарных волноводов разной ширины (рис.1а) [6].
1]яп £НТ ■ 5 00 kV Signal А ■ Iniw-rt DjIi Jim KKJB
Mag В В $4 К X |———| WD« 9пчп Gui Vacuum■ 1D9»-0C9m8*r T«n* 1660:46
СУБВОЛНОВАЯ ФОКУСИРОВКА ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ УСТРОЙСТВ МИКРООПТИКИ
Сойфер В. А., Котляр В. В., Хонина С.Н.
а)
х, мкм
Рис.1 Вид в электронном микроскопе планарной фотон-но-кристаллической линзы размером 3x5 мкм в пленке кремния (а) и рассчитанное РйТй-методом распределение
интенсивности (в относительных единицах) в сечении фокусного пятна на выходе такой микролинзы для длины волны 1550 нм (б). Другой пример связан с фокусировкой света с помощью зонной пластинки (ЗП). На рис.2 а показан вид бинарной зонной пластинки, выполненной в электронном резисте для длины волны 532 нм . Числовая апертура ЗП равна МД=0,996. Диаметр фокусного пятна (рис.2б) по полуспаду интенсивности равен FWHM=(0,42 ± 0,02)Л [7].
а)
б) -1 0 1 х, I
Рис.2 Вид бинарной микролинзы диаметром 14 мкм и с фокусным расстоянием 532 нм под электронным микроскопом (а) и распределение интенсивности в фокусном пятне, сформированном такой линзой при освещении ее сфокусированным линейно-поляризованным гауссовым пучком (б). Фокусное пятно измерено с помощью сканирующего микроскопа ближнего поля.
Еще один пример касается фокусировки вихревых лазерных пучков, которые формируются с помощью бинарного спирального микроаксикона с периодом 560 нм и числовой апертурой МД = 0,95 (рис.За). Меньший диаметр эллиптического фокусного пятна на рис.Зб равен FWHM=0,36Л [8, 9]. Это пятно также меньше дифракционного предела.
Рис.3 Вид в электронном микроскопе спирального микроаксикона диаметром 23 мкм в резисте для длины волны 532 нм (а) и измеренное распределение интенсивности в фокусном пятне на расстоянии 1 мкм (размер кадра 1x1 мкм) (б) Список литературы:
1. G.B. Airy. Transactions of the Cambridge Philosophical Society 5, 283-291 (1835).
2. R. Dorn, S. Quabis, G. Leuchs, "Sharper focus for a radially polarized light beam"
Phys. Rev. Lett., 91, 233901 (2003)
3. F.M. Huang, N. Zheludev, Y. Chen, F.J. Garcia de Abajo, "Focusing of light by a nanohole array" Appl. Phys. Lett. 90, 091119 (2007)
4. K. Karrai, X. Lorenz, L. Novotny, "Enchanced reflectivity contrast in confocal solid immersion lens microscopy" Appl. Phys. Lett. 77, 3459-3461 (2000)
5. A. L. Mikaelian, Dokl. Akad. Nauk USSR 81, 2406-2415 (1951) (in Russian).
6. M.I. Kotlyar, Y.R. Traindaphilov, A.A. Kovalev, V.A. Soifer, M.V. Kotlyar, L. O'Faolain, "Photonic crystal lens for coupling two waveguides" Appl. Opt., 48, 3722-3730 (2009)
7. V.V. Kotlyar, S.S. Stafeev, Y. Liu, L. O'Faolain, A.A. Kovalev, "Analysis of the shape of a subwavelength focal spot for the linearly polarized light" Appl. Opt. 52, 330-339 (2013)
8. S.N. Khonina, D.V. Nesterenko, A.A. Morozov, R.V. Skidanov, V.A. Soifer, Narrowing of a light spot at diffraction of linearly-polarized beam on binary asymmetric axicons, Optical Memory and Neural Networks (Information Optics), Allerton Press, 21(1), 17-26 (2012)
9 S.N. Khonina, S.V. Karpeev, S.V. Alferov, D.A. Savelyev, J. Laukkanen, J. Turunen, "Experimental demonstration of the generation of the longitudinal E-field component on the optical axis with high-numerical-aperture binary axicons illuminated by linearly and circularly polarized beams," J. Opt. 15, 085704 (9pp) (2013)
