Как провести свет сквозь игольное ушко и не дать ему расшириться ✛ ✎

Оригинал: "Focusing of light beyond the diffraction limit"
· K. R. Chen
arXiv:0901.4623 · 2009-01-29 · arXiv non-exclusive · собственный разбор · 1 мин
Плазмонная линза с двумя щелями фокусирует свет в линию шириной меньше половины длины волны, и этот свет уходит вдаль, а не гаснет у поверхности.

Луч фонарика, пройдя сквозь узкую щель, не остаётся тонкой полоской, а расплывается в стороны. Свету свойственно огибать края препятствий, и из-за этого самое маленькое световое пятно, которое можно получить обычной линзой, не бывает меньше половины длины волны. Этот предел казался нерушимым, пока не появилась идея провести свет сквозь игольное ушко, сохранив его узким.

Вместо одной щели в серебряной плёнке сделаны две, шириной всего 80 нанометров, а рядом вырезаны канавки. Свет, падая на такую структуру, возбуждает на поверхности металла волны электронов, которые действуют как невидимые направляющие.

Эти поверхностные волны подхватывают прошедший свет и загибают его к центру, словно две руки, сжимающие струю воды. В результате за плёнкой формируется световая линия, которая не расплывается, а наоборот, сужается. В момент наибольшего сжатия её ширина составляет 0.286 длины волны, хотя предел для обычных линз равен 0.5.

Раньше похожие попытки упирались в то, что сжатый свет оставался приклеенным к поверхности и не мог уйти вдаль. Здесь же расчёты показывают, что поток энергии направлен от плёнки, а значит, сфокусированный свет способен распространяться на расстояние. Это как если бы струя, пройдя сквозь игольное ушко, не разбрызгивалась сразу, а летела дальше узким пучком.

Такой подход может пригодиться везде, где нужно работать с очень мелкими деталями: в производстве микрочипов, записи данных, наблюдении за живыми клетками. Свет, который научили проходить сквозь игольное ушко и оставаться узким, открывает дорогу к приборам, видящим то, что меньше длины волны.

Дифракцию впервые описал Леонардо да Винчи в XV веке, а точное описание дал Франческо Гримальди в XVII веке. Ширина щели в моделируемой линзе (80 нм) меньше длины волны света (633 нм) почти в 8 раз.

Учёные
William Lawrence BraggMichael FaradayHendrik LorentzWillebrord Snellius
Понятия
фокус линза фокусировка пучка дифракция световой луч рассеяние света оптический фильтр линия визирования дисперсия микролинзирование оптическая микроскопия яркость поле зрения зеркало ультрафиолетовый лазер гравитационное линзирование ширина линии флуоресценция пропускание изобретение лазера