RU191646U1

RU191646U1 - Quasi-optical probe for near-field microscope

Info

Publication number: RU191646U1
Application number: RU2019111834U
Authority: RU
Inventors: Игорь Владиленович Минин; Олег Владиленович Минин
Priority date: 2019-04-18
Filing date: 2019-04-18
Publication date: 2019-08-15

Abstract

Полезная модель относится к области ближнепольной микроскопии в оптическом, терагерцовом и СВЧ диапазонах и может быть использована при исследовании микрорельефа отражающих поверхностей, например, в кристаллографии, метрологии, при изучении высокомолекулярных соединений, в биологии, медицине и т.п. Технический результат - обеспечение фокусировки электромагнитного излучения в область шириной менее дифракционного предела, 0,15λ. Квазиоптический зонд для ближнепольного микроскопа включает источник электромагнитного излучения, приемник электромагнитного излучения, устройство канализации электромагнитного излучения, линзу. Линза выполнена в виде мезоразмерной частицы диаметром примерно не менее λ и не более 5λ, где λ - длина волны электромагнитного излучения, показатель преломления материала мезоразмерной частицы не более 2, а по оптической оси мезоразмерной частицы на ее теневой стороне выполнен канал постоянного сечения с характерным поперечным размером не более d=0,15λ. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.The utility model relates to the field of near-field microscopy in the optical, terahertz and microwave ranges and can be used to study the microrelief of reflective surfaces, for example, in crystallography, metrology, in the study of high molecular weight compounds, in biology, medicine, etc. The technical result is the provision of focusing of electromagnetic radiation in the region with a width less than the diffraction limit, 0.15λ. A quasi-optical probe for a near-field microscope includes an electromagnetic radiation source, an electromagnetic radiation receiver, an electromagnetic radiation sewerage device, and a lens. The lens is made in the form of a mesosized particle with a diameter of approximately not less than λ and not more than 5λ, where λ is the wavelength of electromagnetic radiation, the refractive index of the material of the mesosize particle is not more than 2, and a channel of constant cross section with a characteristic cross section is made along the optical axis of the mesosize particle the size of no more than d = 0,15λ. 1 s.p. f-ly, 2 ill.

Description

Полезная модель относится к области ближнепольной микроскопии в оптическом, терагерцовом и СВЧ диапазонах и может быть использована при исследовании микрорельефа отражающих поверхностей, например, в кристаллографии и метрологии при изучении высокомолекулярных соединений, в биологии и медицине.The utility model relates to the field of near-field microscopy in the optical, terahertz and microwave ranges and can be used to study the microrelief of reflective surfaces, for example, in crystallography and metrology in the study of high molecular compounds, in biology and medicine.

В настоящее время получили развитие ближнепольные микроскопы, работающие в различных частотных диапазонах (Bjorn T. Rosner, Daniel W. van der Weide. High-frequency near-field microscopy // Review of Scientific Instruments, v. 73, N 7, July 2002, рр. 2505-2525), в микроволновом (Ash, E.A Super-resolution aperture scanning microscope / EA. Ash and G. Nicholls // Nature. - 1972/ - v/ 237/ - №5357/ - p. 510-512), терагерцовом (Hunsche S., M. Koch, I Brener, MC. Nuss / THz near-field imaging / Optics Comm. 1998. - v. 150. - №1-6 - р. 22-26; Трухин В.Н., А.В. Андрианов, В.А. Быков, А.О. Голубок, Н.Н. Зиновьев, Л.Л. Самойлов, И.Д. Сапожников, А.В. Трухин, М.Л. Фельштын. Взаимодействие терагерцового электромагнитного излучения с системой зонд-объект в терагерцовом ближнепольном микроскопе / Письма в ЖЭТФ. - 2011. - т. 93. - с. 134-138), инфракрасном (Centore a. Infrared imaging and spectroscopy beyond the diffraction limit / Annu. Rev. Anal. Chem. - 2015. - v. 8. - p. 102-126) и оптическом (Nano-optics: principles enabling basic research and applications / ed. By B.Di Bartolo, J. Collins, L. Silvestri. - Dordrecht: Springer Netherlands, 2017 - 584 p.) диапазонах длин волн.Currently, near-field microscopes have been developed that operate in different frequency ranges (Bjorn T. Rosner, Daniel W. van der Weide. High-frequency near-field microscopy // Review of Scientific Instruments, v. 73, No. 7, July 2002, pp. 2505-2525), in the microwave (Ash, EA Super-resolution aperture scanning microscope / EA. Ash and G. Nicholls // Nature. - 1972 / - v / 237 / - No. 5357 / - p. 510-512) terahertz (Hunsche S., M. Koch, I Brener, MC. Nuss / THz near-field imaging / Optics Comm. 1998. - v. 150. - No. 1-6 - p. 22-26; Trukhin V.N. ., A.V. Andrianov, V.A. Bykov, A.O. Golubok, N.N. Zinoviev, L.L. Samoilov, I.D. Sapozhnikov, A.V. Trukhin, M.L. Felshtyn. Interaction of terahertz electromagnetic radiation with si probe-object system in a terahertz near-field microscope / Letters in JETP. - 2011. - T. 93. - p. 134-138), infrared (Centore a. Infrared imaging and spectroscopy beyond the diffraction limit / Annu. Rev. Anal. Chem . - 2015. - v. 8. - p. 102-126) and optical (Nano-optics: principles enabling basic research and applications / ed. By B. Di Bartolo, J. Collins, L. Silvestri. - Dordrecht: Springer Netherlands, 2017 - 584 p.) Wavelength ranges.

Известен зонд ближнепольного микроскопа, представляющий заостренный отрезок оптоволокна (Миронов В.Л. Основы сканирующий зондовой микроскопии, Нижний Новгород, 2004, стр. 106; Патент РФ № 2663266 Зонд ближнепольного микроскопа) или сужающегося к концу СВЧ волновода (Nozokido, T., Bae, J., & Mizuno, K. (2001). Scanning near-field millimeter-wave microscopy using a metal slit as a scanning probe // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 49(3), 491-499).A near-field microscope probe is known that represents a pointed piece of optical fiber (Mironov V.L. Fundamentals of scanning probe microscopy, Nizhny Novgorod, 2004, p. 106; RF Patent No. 2663266 Probe of a near-field microscope) or tapering toward the end of a microwave waveguide (Nozokido, T., Bae , J., & Mizuno, K. (2001), Scanning near-field millimeter-wave microscopy using a metal slit as a scanning probe // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 49 (3), 491-499).

Недостатком известного зонда является его малая разрешающая способность. Повышение локализации электромагнитных волн распространяющихся по диэлектрическому волноводу (оптоволокну), металлического волновода производится сужением поперечных размеров. Однако сужение размеров диэлектрического волновода до размеров соразмеримых и меньших длины электромагнитной волны приводит к потерям электромагнитного излучения за счет обратного отражения, а также излучающихся в окружающее пространство электромагнитных волн.A disadvantage of the known probe is its low resolution. An increase in the localization of electromagnetic waves propagating along a dielectric waveguide (optical fiber), a metal waveguide is made by narrowing the transverse dimensions. However, narrowing the dimensions of the dielectric waveguide to sizes comparable and shorter than the length of the electromagnetic wave leads to loss of electromagnetic radiation due to back reflection, as well as electromagnetic waves emitted into the surrounding space.

Известен зонд ближнепольного микроволнового микроскопа, представляющий заостренный металлический отрезок малого диаметра (Roman Kantor and I.V. Shvets. Measurement of Electric-Field Intensities Using Scanning Near-Field Microwave Microscopy // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, V. 51, N. 11, November 2003, p. 2228-2234; Chen Gao, Bo Hu, I Takeuchi, Kao-Shuo Chang, Xiao-Dong Xiang and Gang Wang. Quantitative scanning evanescent microwave microscopy and its applications in characterization of functional materials libraries // Measurement Science and Technology, 6 (2005) 248-260).Known probe near-field microwave microscope, representing a pointed metal segment of small diameter (Roman Kantor and IV Shvets. Measurement of Electric-Field Intensities Using Scanning Near-Field Microwave Microscopy // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, V. 51, N. 11, November 2003, p. 2228-2234; Chen Gao, Bo Hu, I Takeuchi, Kao-Shuo Chang, Xiao-Dong Xiang and Gang Wang. Quantitative scanning evanescent microwave microscopy and its applications in characterization of functional materials libraries // Measurement Science and Technology, 6 (2005) 248-260).

Недостатком известного зонда является его низкая эффективность.A disadvantage of the known probe is its low efficiency.

Известно устройство на основе коаксиальной линии, представляющее собой резонансный, разомкнутый на конце, коаксиальный кабель с выступающим за пределы коаксиала внутренним проводником, подключенный через разделительный конденсатор и ответвитель к СВЧ генератору. Измерения проводятся при поднесении к разомкнутому концу коаксиального кабеля образца (S.M. Anlage, D.E. Steinhauer, B.J. Feenstra, C.P. Vlahacos, V.C. Welstood. Near-Field Microwave Microscopy of Material properties // Microwave Superconductivity. - Amsterdam. - 2001. - P. 239-269.).A device based on a coaxial line is known, which is a resonant, open at the end, coaxial cable with an internal conductor protruding beyond the limits of the coaxial, connected through a separation capacitor and coupler to a microwave generator. The measurements are carried out by presenting the sample to the open end of the coaxial cable (SM Anlage, DE Steinhauer, BJ Feenstra, CP Vlahacos, VC Welstood. Near-Field Microwave Microscopy of Material properties // Microwave Superconductivity. - Amsterdam. - 2001. - P. 239- 269.).

Известен зонд основанный на прохождении электромагнитной волны через субволновую апертуру в непрозрачном экране [Патент РФ 2312381 Оптические волокна, снабженные линзами путем фотополимеризации и оптические компоненты; Bethe H. Theory of Diffraction by Small Holes // Phys. Rev. 1944. Vol. 66, No 7-8. P. 163-182; Ash E.A., Nicholls G. Super-resolution Aperture Scanning Microdcope // Nature. - 1972. - V. 237. - P. 510-512; Mitrofanov O., Lee M., Hsu J.W.P., Brener I., Harel R., Federici J.F., Wynn J.D., Pfeiffer L.N., West K.W. Collection-mode near-field imaging with 0,5-THz pulses // IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. - 2001. - V. 7. - No 4. - P. 600-607.]. Это микроскопическое отверстие остается способным излучать или принимать свет в экспериментах по оптической микроскопии в ближнем оптическом поле. A known probe based on the passage of an electromagnetic wave through a subwavelength aperture in an opaque screen [RF Patent 2312381 Optical fibers equipped with lenses by photopolymerization and optical components; Bethe H. Theory of Diffraction by Small Holes // Phys. Rev. 1944. Vol. 66, No. 7-8. P. 163-182; Ash E.A., Nicholls G. Super-resolution Aperture Scanning Microdcope // Nature. - 1972. - V. 237. - P. 510-512; Mitrofanov O., Lee M., Hsu J.W.P., Brener I., Harel R., Federici J.F., Wynn J.D., Pfeiffer L.N., West K.W. Collection-mode near-field imaging with 0.5-THz pulses // IEEE J. Sel. Top Quantum Electron. - 2001. - V. 7. - No 4. - P. 600-607.]. This microscopic aperture remains able to emit or receive light in near-field optical microscopy experiments.

Недостатком известного зонда является его низкий коэффициент пропускания.A disadvantage of the known probe is its low transmittance.

Известен зонд на основе оптоволокна, на торце которого размещена фокусирующая излучение сферическая линза [Патент РФ 1332253, Способ изготовления линзы на торце оптического волокна]. Перемещение этого, снабженного линзами, оптического волокна над поверхностью исследуемого объекта позволяет получить оптическое изображение рассматриваемой зоны этого объекта.A known probe based on optical fiber, at the end of which is placed a focusing radiation spherical lens [RF Patent 1332253, A method of manufacturing a lens at the end of an optical fiber]. Moving this optical lens equipped with lenses above the surface of the object under study makes it possible to obtain an optical image of the considered zone of this object.

Недостатком известного зонда является его малая разрешающая способность, ограниченная дифракционным пределом, который составляет около 200 нм для излучения видимого оптического диапазона. Предельное разрешение обычной оптики определяется дифракционным пределом и не может превышать 1,22 λ/2N (λ - длина волны света, N - показатель преломления).A disadvantage of the known probe is its low resolution, limited by the diffraction limit, which is about 200 nm for radiation of the visible optical range. The limiting resolution of conventional optics is determined by the diffraction limit and cannot exceed 1.22 λ / 2N (λ is the wavelength of light, N is the refractive index).

Наиболее близкий к данной полезной модели квазиоптический зонд для ближнепольного микроскопа, описанный в работе N.V. Chernomyrdin, A.S. Kucheryavenko, G.S. Kolontaeva, G.M. Katyba, I.N. Dolganova, P.A. Karalkin, D.S. Ponomarev, V.N. Kurlov, I.V. Reshetov, M. Skorobogatiy, V.V. Tuchin, and K.I. Zaytsev. Reflection-mode continuous-wave 0.15k-resolution terahertz solid immersion microscopy of soft biological tissues // Appl. Phys. Lett. 113, 111102 (2018); doi: 10.1063/1.5045480, взят за прототип. Зонд для ближнепольного микроскопа включает в себя источник электромагнитного излучения, приемник электромагнитного излучения, устройство канализации электромагнитного излучения (диэлектрический или металлический волновод, линза или зеркальная антенна), полусферическую линзу, выполненную из диэлектрика с высоким показателем преломления (3,415), диаметром 50λ.The quasi-optical probe for a near-field microscope that is closest to this utility model is described by N.V. Chernomyrdin, A.S. Kucheryavenko, G.S. Kolontaeva, G.M. Katyba, I.N. Dolganova, P.A. Karalkin, D.S. Ponomarev, V.N. Kurlov, I.V. Reshetov, M. Skorobogatiy, V.V. Tuchin, and K.I. Zaytsev. Reflection-mode continuous-wave 0.15k-resolution terahertz solid immersion microscopy of soft biological tissues // Appl. Phys. Lett. 113, 111102 (2018); doi: 10.1063 / 1.5045480, taken as a prototype. A probe for a near-field microscope includes an electromagnetic radiation source, an electromagnetic radiation receiver, an electromagnetic radiation sewerage device (dielectric or metal waveguide, a lens or a mirror antenna), a hemispherical lens made of a dielectric with a high refractive index (3.415), diameter 50λ.

Недостатком известного зонда является его малая разрешающая способность, не превышающая 0,15λ. Кроме того, зонд имеет большие габариты и высокие потери излучения из-за отражения его на границе окружающая среда-материал линзы.A disadvantage of the known probe is its low resolution, not exceeding 0.15λ. In addition, the probe has large dimensions and high radiation losses due to its reflection at the environment-material boundary of the lens.

В данной полезной модели была поставлена задача - создать квазиоптический зонд для ближнепольного микроскопа, формирующий узкое фокальное пятно с заданной шириной.In this utility model, the task was set - to create a quasi-optical probe for a near-field microscope, forming a narrow focal spot with a given width.

Технический результат - обеспечение фокусировки электромагнитного излучения в область шириной менее дифракционного предела, 0,15λ.The technical result is the provision of focusing of electromagnetic radiation in the region with a width less than the diffraction limit, 0.15λ.

Поставленная задача достигается за счет того, что в квазиоптическом зонде для ближнепольного микроскопа, включающем источник электромагнитного излучения, приемник электромагнитного излучения, устройство канализации электромагнитного излучения, линзу, новым является то, что линза выполнена в виде мезоразмерной частицы, диаметром примерно не менее λ и не более 5λ, где λ - длина волны электромагнитного излучения, показателем преломления материала мезоразмерной частицы не более 2, а по оптической оси мезоразмерной частицы на ее теневой стороне выполнен канал постоянного сечения с характерным поперечным размером не более d_z=0,15λ. Кроме того, мезоразмерная частица выполнена сферической формы.The problem is achieved due to the fact that in a quasi-optical probe for a near-field microscope, including an electromagnetic radiation source, an electromagnetic radiation receiver, an electromagnetic radiation sewerage device, a lens, it is new that the lens is made in the form of a mesoscale particle, with a diameter of approximately no less than λ and not more than 5λ, where λ is the wavelength of electromagnetic radiation, the refractive index of the material of the mesosize particle is not more than 2, and along the optical axis of the mesosize particle by its shadow hundred A channel of constant cross section with a characteristic transverse dimension of not more than d _z = 0.15λ was made on the side. In addition, the mesoscale particle is made spherical in shape.

Наличие признаков, отличающих изобретение от прототипа, позволяет сделать вывод о соответствии его критерию «новизна».The presence of signs that distinguish the invention from the prototype, allows us to conclude that it meets the criterion of "novelty."

Заявителем не выявлены источники информации, в которых содержались бы сведения о влиянии отличительных признаков полезной модели на достигаемый технический результат. Указанные новые свойства объекта обусловливают, по мнению заявителя, соответствие полезной модели критерию «изобретательский уровень».The applicant has not identified sources of information that would contain information on the influence of the distinguishing features of the utility model on the achieved technical result. These new properties of the object determine, according to the applicant, the utility model meets the criterion of "inventive step".

На Фиг. 1 представлена блок-схема квазиоптического зонда для ближнепольного микроскопа.In FIG. 1 shows a block diagram of a quasi-optical probe for a near-field microscope.

На Фиг. 2 приведен пример результатов моделирования квазиоптического зонда для ближнепольного микроскопа с мезоразмерной сферической частицей, из материала с показателем преломления с каналом, выполненным на теневой стороне частицы, различного поперечного размера: d_z=λ/5; λ/10; λ/40 в различных плоскостях.In FIG. Figure 2 shows an example of the simulation results of a quasi-optical probe for a near-field microscope with a mesoscale spherical particle, made of a material with a refractive index with a channel made on the shadow side of the particle of different transverse sizes: d _z = λ / 5; λ / 10; λ / 40 in various planes.

Обозначения: 1 - источник электромагнитного излучения; 2 - приемник электромагнитного излучения; 3 - устройство канализации электромагнитного излучения; 4 - мезоразмерная диэлектрическая частица; 5 - канал, расположенный на теневой стороне частицы по ее оптической оси, 6 - область фокусировки.Designations: 1 - source of electromagnetic radiation; 2 - receiver of electromagnetic radiation; 3 - a device for the sewerage of electromagnetic radiation; 4 - mesoscale dielectric particle; 5 - channel located on the shadow side of the particle along its optical axis, 6 - focusing area.

Считается, что при фокусировке волн любой природы волновая энергия концентрируется в области с поперечным размером, не меньше половины длины волны (Горелик Г.С. Колебания и волны. М.: Гос. изд. Физ.-мат. лит., 1959, с. 377). Величина поперечного разрешения линзы определяется критерием Рэлея (дифракционный предел) (Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1973, 720 с.):It is believed that when focusing waves of any nature, wave energy is concentrated in a region with a transverse dimension of at least half the wavelength (Gorelik G.S. Oscillations and waves. M: State ed. Fiz.-mat. Lit., 1959, p. . 377). The magnitude of the transverse resolution of the lens is determined by the Rayleigh criterion (diffraction limit) (Born M., Wolf E. Fundamentals of optics. M: Nauka, 1973, 720 p.):

δ≈1,22λF/D,δ≈1.22λF / D,

где λ - длина акустической волны, D - диаметр линзы, F - фокусное расстояние линзы. Для достижения высокого пространственного разрешения необходимо использовать линзы с высокой числовой апертурой.where λ is the acoustic wavelength, D is the diameter of the lens, F is the focal length of the lens. To achieve high spatial resolution, it is necessary to use lenses with a high numerical aperture.

В сферической (шарообразной) линзе радиуса R, показателя преломления N и с фокусным расстоянием от центра линзы равным F (Зелкин Е.Г., Петрова Р.А. Линзовые антенны. М.: «Сов. Радио», 1974, 280 с., с. 98-103; Bernhard Schoenlinner, Xidong Wu, Jim P. Ebling, George V. Eleftheriades, and Gabriel M. Rebeiz, Wide-Scan Spherical-Lens Antennas for Automotive Radars // IEEE Transactions on microwave theory and techniques, V. 50, №9, September 2002, рр. 2166-2175).In a spherical (spherical) lens of radius R, refractive index N and with a focal length from the center of the lens equal to F (Zelkin E.G., Petrova R.A. Lens antennas. M.: Sov. Radio, 1974, 280 p. p. 98-103; Bernhard Schoenlinner, Xidong Wu, Jim P. Ebling, George V. Eleftheriades, and Gabriel M. Rebeiz, Wide-Scan Spherical-Lens Antennas for Automotive Radars // IEEE Transactions on microwave theory and techniques, V 50, No. 9, September 2002, pp. 2166-2175).

Фокусное расстояние F зависит от N, R и приближенно описывается по выражению:The focal length F depends on N, R and is approximately described by the expression:

При N>2 область фокусировки находится внутри линзы, а при 1<N<2 вне линзы.For N> 2, the focus area is inside the lens, and for 1 <N <2 outside the lens.

Преодолеть дифракционный предел в оптике, на терагерцах и в СВЧ диапазоне можно различными способами, например, с помощью эффекта «фотонной наноструи» (например, см. A.Heifetz et al. Experimental confirmation of backscattering enhancement induced by a photonic jet // Appl.Phys.Lett., 89, 221118 (2006); B. S. Luk'yanchuk,

I. Minin, O. Minin, and Z. Wang, "Refractive index less than two: photonic nanojets yesterday, today and tomorrow," Optical Materials Express 7, 1820-1847 (2017)). Поперечный размер фотонной наноструи составляет 1/3…1/4 длины волны излучения, что меньше дифракционного предела классической линзы.The diffraction limit in optics, at terahertz, and in the microwave range can be overcome in various ways, for example, using the “photon nanostrue” effect (for example, see A. Heifetz et al. Experimental confirmation of backscattering enhancement induced by a photonic jet // Appl. Phys. Lett., 89, 221118 (2006); BS Luk'yanchuk,

I. Minin, O. Minin, and Z. Wang, "Refractive index less than two: photonic nanojets yesterday, today and tomorrow," Optical Materials Express 7, 1820-1847 (2017)). The transverse size of the photon nanostructure is 1/3 ... 1/4 of the radiation wavelength, which is less than the diffraction limit of a classical lens.

При этом формировать локальные области концентрирования электромагнитной энергии вблизи поверхности мезоразмерных диэлектрических частиц возможно с помощью частиц различной формы, например, в форме сферы, цилиндра, диска, куба, пирамиды, при облучении их электромагнитной волной с плоским волновым фронтом и т.д. [I.V. Minin and O.V. Minin. Diffractive optics and nanophotonics: Resolution below the diffraction limit, Springer, 2016 http://www.springer.com/us/book/9783319242514#aboutBook; И.В. Минин, О.В. Минин. Фотонные струи в науке и технике // Вестник СГУГиТ, 2017, т 22, №1, с. 212-234].At the same time, it is possible to form local areas of concentration of electromagnetic energy near the surface of mesoscale dielectric particles with the help of particles of various shapes, for example, in the form of a sphere, cylinder, disk, cube, pyramid, when they are irradiated with an electromagnetic wave with a plane wave front, etc. [I.V. Minin and O.V. Minin. Diffractive optics and nanophotonics: Resolution below the diffraction limit, Springer, 2016 http://www.springer.com/us/book/9783319242514#aboutBook; I.V. Minin, O.V. Minin. Photon jets in science and technology // Bulletin of SSUGiT, 2017, vol. 22, No. 1, p. 212-234].

Известны устройства повышающие пространственное разрешение формирующих устройств на основе фотонных струй. Например, в [M. Wu, B. Huang, R. Chen, Y. Yang, J. Wu, R. Ji, X. Chen, and M. Hong, "Modulation of photonic nanojets generated by microspheres decorated with concentric rings," Optics express 23, 20096-20103 (2015)], состоящее из диэлектрической сферической частицы, формирующей фотонную струю, на освещенную поверхность которой нанесены концентрические кольца с шириной колей 0,655λ и модулирующие падающее излучение. Было достигнуто пространственное разрешение 0,485λ.Known devices that increase the spatial resolution of forming devices based on photonic jets. For example, in [M. Wu, B. Huang, R. Chen, Y. Yang, J. Wu, R. Ji, X. Chen, and M. Hong, "Modulation of photonic nanojets generated by microspheres decorated with concentric rings," Optics express 23, 20096 -20103 (2015)], consisting of a dielectric spherical particle forming a photon stream, on the illuminated surface of which are applied concentric rings with a track width of 0.655λ and modulating incident radiation. A spatial resolution of 0.485λ was achieved.

Для фокусировки электромагнитных волн с поперечным разрешением превышающим критерий Рэлея, необходимо фокусировать электромагнитные волны вблизи раздела двух сред с различными величинами показателя преломления. Вблизи поверхности раздела сред возбуждаются поверхностные электромагнитные волны, конструктивная интерференция которых может приводить к уменьшению поперечного размера области фокусировки ниже дифракционного предела. Так как электромагнитные поверхностные волны имеют проекцию волнового вектора k_x на поперечную координату х большую, чем волновое число в среде: k_x>k₀N, где k₀=2π/λ - волновое число в среде, N - показатель преломления среды.To focus electromagnetic waves with a transverse resolution exceeding the Rayleigh criterion, it is necessary to focus electromagnetic waves near the interface between two media with different values of the refractive index. Near the interface, surface electromagnetic waves are excited, the constructive interference of which can lead to a decrease in the transverse size of the focusing region below the diffraction limit. Since electromagnetic surface waves have a projection of the wave vector k _x onto the transverse coordinate x greater than the wave number in the medium: k _x > k ₀ N, where k ₀ = 2π / λ is the wave number in the medium, N is the refractive index of the medium.

В результате математического моделирования было установлено, что для мезоразмерных частиц, например, с показателем преломления равного 1,5, и диаметром не более 5λ, в канале с поперечном размером менее 0,15λ формируется область фокусировки с поперечными размерами порядка поперечного размера канала и превышающая дифракционный предел. При увеличении поперечного размера мезоразмерной частицы увеличивается интенсивность электромагнитного поля в области фокуса. Например, при увеличении размера частицы от 1,5λ до 3,5λ интенсивность поля возрастает в 3.8 раза. При увеличении размера частицы примерно более 5λ фокус раздваивается, и интенсивность поля уменьшается, а эффективность зонда уменьшается. При поперечном размере мезоразмерной частицы менее λ фокусировка излучения не наблюдалась.As a result of mathematical modeling, it was found that for mesoscale particles, for example, with a refractive index of 1.5 and a diameter of not more than 5λ, a focusing region with transverse dimensions of the order of the transverse size of the channel and exceeding the diffraction one is formed in a channel with a transverse size of less than 0.15λ limit. With an increase in the transverse size of the mesoscale particle, the intensity of the electromagnetic field in the focus region increases. For example, with an increase in particle size from 1.5λ to 3.5λ, the field intensity increases by 3.8 times. With an increase in the particle size of more than about 5λ, the focus doubles, and the field intensity decreases, and the efficiency of the probe decreases. When the transverse size of the mesosize particle is less than λ, radiation focusing was not observed.

Квазиоптический зонд для ближнепольного микроскопа работает следующим образом. Источник электромагнитного излучения 1 (например, лазер, лавинно пролетный диод, лампа обратной волны и т.д.) генерирует электромагнитное излучение, которое через устройство канализации электромагнитного излучения 3 (например, оптоволоконный кабель, диэлектрический или металлический волновод, линза или зеркальная антенна) облучает мезоразмерную частицу 4, в которой выполнен канал 5, расположенный на теневой стороне частицы по ее оптической оси. В результате интерференции волн распространяющихся через мезоразмерную частицу и в канале 5, формируется область фокусировки 6, с поперечными размерами порядка поперечного размера канала. При работе зонда в режиме на отражение, электромагнитное излучение, отраженное от объекта, передается мезоразмерной частицей 4 с каналом 5 в устройство канализации электромагнитного излучения 3 и далее на приемник электромагнитного излучения 2, например, фотоэлектронный умножитель, оптико-акустический приемник, СВЧ детектор и т.д.A quasi-optical probe for a near-field microscope works as follows. An electromagnetic radiation source 1 (for example, a laser, an avalanche diode, a backward wave lamp, etc.) generates electromagnetic radiation that irradiates through an electromagnetic radiation sewerage device 3 (for example, a fiber optic cable, a dielectric or metal waveguide, a lens or a mirror antenna) meso-sized particle 4, in which the channel 5 is located, located on the shadow side of the particle along its optical axis. As a result of the interference of waves propagating through a mesoscale particle and in channel 5, a focusing region 6 is formed with transverse dimensions of the order of the transverse size of the channel. When the probe is operating in reflection mode, the electromagnetic radiation reflected from the object is transmitted by a meso-sized particle 4 with a channel 5 to the electromagnetic radiation sewerage device 3 and then to the electromagnetic radiation receiver 2, for example, a photoelectron multiplier, an optical-acoustic receiver, a microwave detector, etc. .d.

Для изготовления сферических линз могут использоваться LFS-станция для создания волоконных шариковых линз (https://sphotonics.ru/catalog/sistemy-dlya-svarki-i-obrabotki-opticheskikh-volokon/lfs/). Станция для массового производства высококачественных шариковых линз на торце оптических волокон. В (Патенте РФ 2312381 Оптические волокна, снабженные линзами путем фотополимеризации и оптические компоненты) приведены новые технологические процессы, позволяющие обеспечить реализацию полимерных пиков на торце многомодового и одномодового оптоволокон.For the manufacture of spherical lenses, an LFS station can be used to create fiber ball lenses (https://sphotonics.ru/catalog/sistemy-dlya-svarki-i-obrabotki-opticheskikh-volokon/lfs/). A station for the mass production of high-quality ball lenses at the end of an optical fiber. In (RF Patent 2312381 Optical fibers equipped with lenses by photopolymerization and optical components), new technological processes are described that make it possible to realize polymer peaks at the end of multimode and single-mode optical fibers.

Изготовление таких систем возможно на 3D нанопринтерах (Mona Mirzaeimoghri, Alejandro Morales Martinez, Alireza Panna, Eric E. Bennett, Bertrand M. Lucotte, Don L. DeVoe, Han Wen Nano-printed miniature compound refractive lens for desktop hard x-ray microscopy (2018) // PLoS ONE 13(8): e0203319. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0203319)Production of such systems is possible on 3D nanoprinters (Mona Mirzaeimoghri, Alejandro Morales Martinez, Alireza Panna, Eric E. Bennett, Bertrand M. Lucotte, Don L. DeVoe, Han Wen Nano-printed miniature compound refractive lens for desktop hard x-ray microscopy ( 2018) // PLoS ONE 13 (8): e0203319. Https://doi.org/10.1371/journal.pone.0203319)

Таким образом, решается задача создания квазиоптического зонда для ближнепольного микроскопа, формирующего узкое фокальное пятно с заданной шириной. По сравнению с прототипом разрешающая способность повышена не менее чем в 6 раз (0,025λ), уменьшены габариты линзы не менее чем в 10 раз, уменьшены потери излучения из-за отражения на границе свободное пространство-материал линзыThus, the problem of creating a quasi-optical probe for a near-field microscope that forms a narrow focal spot with a given width is solved. Compared with the prototype, the resolution is increased by at least 6 times (0.025λ), the dimensions of the lens are reduced by at least 10 times, radiation losses due to reflection at the free space-lens boundary are reduced

Claims

1. A quasi-optical probe for a near-field microscope, including an electromagnetic radiation source, an electromagnetic radiation receiver, an electromagnetic radiation sewerage device, a lens, characterized in that the lens is made in the form of a mesoscale particle, with a diameter of approximately no less than λ and no more than 5λ, where λ is the wavelength electromagnetic radiation, the refractive index of the material of the mesosized particle is not more than 2, and along the optical axis of the mesosized particle on its shadow side there is a channel of constant cross section with the character th transverse dimension less than d _z = 0,15λ.

2. A quasi-optical probe for a near-field microscope according to claim 1, characterized in that the mesoscale particle is made spherical in shape.