Металинза сгенерировала и сфокусировала вакуумный ультрафиолет

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.

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.

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.

Марат Хамадеев