Физики КФУ разработали металинзу, позволяющую преодолеть дифракционный барьер

В Казанском федеральном университете нашли новый способ получения оптических изображений с разрешением, превосходящим дифракционный предел.

Научная работа проводилась в рамках поддержанного Российским научным фондом проекта «Синтез и исследование нового класса нанокомпозитной керамики с вырожденной диэлектрической проницаемостью для оптоплазмоных приложений», которым руководит доцент Института физики Казанского федерального университета Сергей Харинцев.

Металинза, разработанная физиками-оптиками КФУ, представляет собой тонкую композитную пленку метал-диэлектрик (толщина варьируется в диапазоне несколько десятков нм), нанесенную на диэлектрическую подложку.

«Из-за волновой природы света существует дифракционный предел, который ограничивает разрешение традиционной оптической микроскопии до расстояний порядка половины длины волны света. Мы построили металинзу – оптический прибор, который позволяет обойти дифракционный барьер. Решение этой важной задачи позволит использовать оптические технологии в наномасшатбных интегральных микросхемах и сенсорах», – вводит в курс дела руководитель лаборатории «Нанооптика» Института физики КФУ, доктор физико-математических наук С.Харинцев.

В основе эффекта оптического сверхразрешения лежит необычное поведение созданного сотрудниками лаборатории метаматериала в оптическом и инфракрасном диапазонах.

«Вещественная часть диэлектрической проницаемости осциллирует вблизи нуля. Это свойство может быть использовано для усиления вынужденного комбинационного рассеяния света в пространственно-ограниченной среде, освещаемой непрерывным лазерным светом малой интенсивности. Для большинства встречаемых в природе материалов нелинейные эффекты являются слабыми, и для их наблюдения необходимо увеличивать протяженность среды (например, с помощью оптических волокон) и/или усиливать мощность лазерной накачки (используя импульсные лазеры высокой мощности)», – объясняет  физик.

Результаты исследования представлены в недавно вышедшей в журнале Optics Letters статье, одним из авторов которой является Сергей Харинцев.

«Мы использовали пленку оксинитрид титана (TiON) толщиной 50 нм в качестве разупорядоченной нелинейной среды. Пленка была синтезирована методом магнетронного напыления и последующего окисления на воздухе, – рассказывает о проделанной работе Сергей Сергеевич. – В результате двухстадийной процедуры в пленке сформировались металлические (TiN) и диэлектрические (TiO2) наночастицы. Возрастание амплитуды стоксовой волны в пленке TiN/TiO2 возникает благодаря усилению кубической восприимчивости вследствие локализованного плазмонного резонанса и малого показателя преломления эффективной среды. Такие нанокомпозитные пленки металл-диэлектрик, имеющие несколько ENZ (от англ. – epsilonnearzero) частот в видимой и инфракрасной области, нашли применение в области создания широкополосных металинз, обеспечивающих разрешение за пределом дифракции света».

По словам автора статьи, ученым КФУ удалось визуализировать многостенные углеродные нанотрубки диаметром 40 нм, разбросанные на поверхности созданной ими металинзы, с разрешением меньше 100 нм (длина волны возбуждения света равна 633 нм).

«Нанокомпозитная ENZ-пленка работает как SERS (от англ. – surface-enhanced Raman scattering) подложка, которая позволяет не только усиливать рассеянный сигнал, но и получать разрешение за пределом дифракции. Наряду с металинзами, ENZ-пленки могут быть использованы для создания широкополосных поглотителей, используемых в солнечных батареях», – сообщил нам Сергей Харинцев.