Сферические частицы помогут с лучшим разрешением увидеть поверхность материалов, не пропускающих свет

Ученые Томского политехнического университета вместе с коллегами из Бангорского университета (Великобритания) предложили способ улучшить разрешение оптических микроскопов, работающих в режиме «на отражение», то есть способных визуализировать материалы, не пропускающие свет. В качестве суперлинзы для микроскопа они использовали сферические диэлектрические частицы с показателем преломления, близким к воздуху. Цель авторского коллектива — приблизить разрешение оптических микроскопов в этом режиме до показателей самых зорких наноскопов. Последние результаты исследований опубликованы в одном из старейших научных журналов мира Annalen der Physik (IF: 3,039; Q1). 

Фото: Пример фокусировки сферической частицы с показателем преломления, близким к 1 — аналог классической сферической линзы (слева); пример фокусировки в режиме «на отражение» (справа).

В последнее десятилетие активно развивается направление так называемых наноскопов — это одни из самых зорких микроскопов среди оптических, они обеспечивают разрешение в 50 нанометров в белом свете. В качестве линз в них используются диэлектрические сферические наночастицы, они работают в режиме «на пропускание». То есть объект визуализируется за счет пропускания излучения сквозь линзу. Однако существует целый спектр материалов, которые не прозрачны для излучения, и для исследования их свойств необходимы методы субволновой фокусировки в режиме «на отражение». К таким материалам, например, относятся металлы. Ранее авторский коллектив ТПУ показал, что сфокусировать излучение в режиме «на отражение» можно с помощью прямоугольных или полусферических частиц (публикации в журнале Optics Letters). 

«Однако сферические частицы более просты в получении и применении, поэтому в своей последней работе мы использовали именно их. Размер частиц составляет несколько длин волн. Свет отражается от металлической подложки, на которой располагаются частицы, и фокусируется со стороны падения, около  поверхности частички. Если выполнить их в виде сферы, то она работает как линза, фокусирующая в обратном направлении. При этом у сферических частиц показатель преломления близок к единице, к показателю воздуха, в то время как в традиционных микроскопах он близок к 1,5. В результате, по сравнению с традиционными оптическими микроскопами, сферические частицы дали увеличение разрешения в режиме “на отражение” лучше дифракционного предела. В конечном итоге мы стремимся довести этот показатель до сравнимого с тем, что дают наноскопы в режиме “на пропускание”», — говорит профессор отделения электронной инженерии ТПУ Игорь Минин

Проводимые исследования лягут в основу принципов построения наноскопа, который может работать в двух режимах с высоким разрешением. 

«Возможность одновременного использования микроскопа в двух режимах обеспечивает дополнительную информацию о распределении сигналов ближнего поля и открывает новый и уникальный способ характеризации материалов и наноструктур.

Можно будет с большей детализацией визуализировать ряд перспективных материалов и объектов. Например, поверхностные плазмонные волны — это электромагнитные волны, распространяющиеся вдоль границы между металлом и диэлетриком. Их используют в плазмонных сенсорах для биохимических анализов, в микроэлектронике. Для их исследования необходимо очень высокое разрешение», — отмечает один из авторов статьи. 

Добавим, исследование проводится при финансовой поддержке по программе Sˆer Cymru Национальной исследовательской сети (Великобритания), стипендии «Навыки экономики знаний», а также в рамках Программы повышения конкурентоспособности Томского политехнического университета.

Справка:

Annalen der Physik — немецкий научный журнал, посвященный проблемам физики. Один из старейших научных журналов, издается с 1799 года. Публикует оригинальные статьи в области экспериментальной, теоретической, прикладной и математической физики, а также смежных областей.