Новые линзы достигли максимально возможного разрешения
Изображение: Paniagua-Domínguez et al. ©2018 American Chemical Society
Исследователи разработали оптический объектив с наивысшей числовой апертурой* свободного пространства на сегодняшний день, достигая значения чуть ниже 1. Поскольку числовая апертура указывает на максимально возможное разрешение, которое может достичь объектив, новый объектив может фокусировать свет с беспрецедентной способностью, а также собирать свет с широких углов. Эти способности должны сделать линзу особенно полезной для приложений с низким уровнем освещенности, таких как однофотонное излучение, которое часто используется в системах квантовой оптики.
Исследователи, возглавляемые Арсением Кузнецовым и Рамоном Паниагуа-Домингесом, в A*STAR (Агентство по науке, технике и исследованиям) и Технологического университета Наньяна в Сингапуре, опубликовали статью о линзе с числовой апертурой 0,99 в недавнем выпуске Nano Letters.
Раньше наибольшая числовая апертура для объектива с свободным пространством составляла 0,95, что соответствует максимальному углу сбора около 72°. Эти линзы были большие и дорогие, и поэтому их нельзя легко масштабировать для работы с очень маленькими системами.
При числовой апертуре 0,99 новая линза имеет как более высокое разрешение, так и больший угол сбора 82°. Новый объектив выполнен из метаповерхности, а не из традиционных материалов для линз. Метаповерхность состоит из субволновых структур и имеет общую толщину менее одной длины волны света, что приводит к небольшому размеру, который значительно расширяет возможности ее применения.
«Объективы с высокой численной апертурой являются основными оптическими компонентами, которые широко используются в микроскопии, оптических системах обнаружения, оптической литографии, квантовой оптике и т. д.», — сказал Арсений Кузнецов. «Наличие высокой числовой апертуры имеет первостепенное значение для достижения высокого разрешения и высокого уровня обнаружения оптических сигналов.
В настоящее время существующие объективы с высокодиапазонными объективами являются громоздкими и дорогими. В своей работе мы показали, что, используя новую концепцию метаповерхностей, основанных на диэлектрических наноантеннах, можно проектировать и реализовывать плоские оптические компоненты, которые могут достигать числовой апертуры выше всех существующих оптических целей, используя устройство толщиной всего в несколько сотен нанометров».
Для демонстрации преимуществ новой линзы исследователи использовали ее для изображения азотных центров в алмазных нанокристаллах размером в несколько десятков нанометров. Полученные изображения показали меньшие пятна по сравнению с изображениями, сделанных с помощью коммерческих объективов с меньшими числовыми апертурами, демонстрируя более высокое разрешение нового объектива.
Исследователи ожидают, что в будущем новый объектив также может быть использован для улучшения фотолитографии, которая используется для производства компьютерных чипов и других устройств с высоким разрешением. Кроме того, ожидается, что новый широкоугольный объектив повысит эффективность процессов однофотонного излучения, которые используются в системах квантовой оптики.
«Мы считаем, что эта новая концепция найдет широкое применение в областях, где важно выявление слабых оптических сигналов», — сказал Кузнецов. «Один пример заключается в квантовой оптике, которая касается систем, содержащих только одиночные атомы или квантовые излучатели, излучающие свет на однофотонном уровне. Такие плоские линзы не только позволяют обнаруживать слабые оптические сигналы, но также могут работать в экстремальных условиях низких температур и в вакууме, что характерно для экспериментов с квантовой оптикой.
«Еще одним важным направлением применения может быть переносное и мобильное фотонное устройство, где требуется плотная интеграция высокоэффективных оптических компонентов. Например, линзы могут находить приложения в камерах для мобильных телефонов и очках дополненной реальности».
Больше информации: Ramón Paniagua-Domínguez et al. «A Metalens with a Near-Unity Numerical Aperture.» Nano Letters 18, 2124–2132 (2018). DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b00368
*Апертура — (в оптике) характеристика оптического прибора, описывающая его способность собирать свет и противостоять дифракционному размытию деталей изображения.