Оптическая система для формирования светового пятна субволнового размера

Оптическая система для формирования светового пятна субволнового размера

Реферат

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.

Оптическая система для формирования светового пятна субволнового размера, содержащая 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, отличающаяся тем, что рефракционный аксикон дополнительно содержит металлическую наноразмерную сферу, прикрепленную к вершине его конуса.