RU2562159C1 - Optical system for forming sub-wavelength light spot - Google Patents
Optical system for forming sub-wavelength light spot Download PDFInfo
- Publication number
- RU2562159C1 RU2562159C1 RU2014110809/28A RU2014110809A RU2562159C1 RU 2562159 C1 RU2562159 C1 RU 2562159C1 RU 2014110809/28 A RU2014110809/28 A RU 2014110809/28A RU 2014110809 A RU2014110809 A RU 2014110809A RU 2562159 C1 RU2562159 C1 RU 2562159C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- light spot
- optical system
- size
- cone
- radiation
- Prior art date
Links
Landscapes
- Microscoopes, Condenser (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области оптики, а именно к острой фокусировке электромагнитного излучения, и может быть использовано для высокоразрешающей оптической записи и сканирующей оптической микроскопии.The invention relates to the field of optics, namely to the sharp focusing of electromagnetic radiation, and can be used for high-resolution optical recording and scanning optical microscopy.
Известен дифракционный оптический элемент для формирования светового пятна субволнового размера при плоской поляризации падающего излучения (Патент RU №2458372, МПК G02B 27/42, 27/58) на основе круговой дифракционной решетки с периодом, близким к длине волны, выполненной из двух секций.Known diffractive optical element for the formation of a light spot of sub-wave size with a flat polarization of the incident radiation (Patent RU No. 2458372, IPC G02B 27/42, 27/58) based on a circular diffraction grating with a period close to the wavelength made of two sections.
Такой дифракционный оптический элемент по своей сути является аксиконом и обеспечивает формирование светового пятна субволнового размера на оптической оси. Однако дальнейшее уменьшение диаметра сформированного светового пятна путем уменьшения периода дифракционной решетки невозможно, а кроме того, из-за линейной поляризации освещающего излучения по обеим сторонам от сформированного светового пятна наблюдаются побочные максимумы, образованные поперечными компонентами сфокусированного излучения.Such a diffractive optical element is inherently an axicon and provides the formation of a light spot of sub-wave size on the optical axis. However, a further decrease in the diameter of the generated light spot by reducing the period of the diffraction grating is impossible, and in addition, due to the linear polarization of the illuminating radiation, side maxima formed by the transverse components of the focused radiation are observed on both sides of the generated light spot.
Наиболее близким по сущности к заявляемому изобретению является высокоапертурный рефракционный аксикон, освещаемый излучением с радиальной поляризацией (V.V. Kotlyar, A.A. Kovalev, and S.S. Stafeev, ″Sharp focus area of radially-polarized gaussian beam propagation through an axicon″, Progress In Electromagnetics Research C, Vol. 5, 2008, p. 35-43), представляющий собой конический элемент из преломляющего материала с углом при вершине, обеспечивающим полное внутреннее отражение излучения с радиальной поляризацией, проходящего в сторону вершины конуса параллельно его оси. Такой оптический элемент обеспечивает формирование светового пятна субволнового размера в непосредственной близости (на расстоянии не более половины длины волны) от вершины конуса.Closest to the claimed invention is a high-aperture refractive axicon illuminated by radiation with radial polarization (VV Kotlyar, AA Kovalev, and SS Stafeev, ″ Sharp focus area of radially-polarized gaussian beam propagation through an axicon ″, Progress In Electromagnetics Research C, Vol. 5, 2008, p. 35-43), which is a conical element of refracting material with an apex angle that provides full internal reflection of radially polarized radiation that extends toward the top of the cone parallel to its axis. Such an optical element provides the formation of a light spot of subwavelength in the immediate vicinity (at a distance of not more than half the wavelength) from the top of the cone.
Недостатком данного оптического элемента является то, что размер светового пятна достигает минимума, а интенсивность в пятне максимума при определенных значениях числовой апертуры аксикона (авторы указывают изменение высоты конуса, что эквивалентно изменению числовой апертуры) и при дальнейшем увеличении числовой апертуры световое пятно снова начинает увеличиваться.The disadvantage of this optical element is that the size of the light spot reaches a minimum, and the intensity in the spot of a maximum at certain values of the numerical aperture of the axicon (the authors indicate a change in the height of the cone, which is equivalent to a change in the numerical aperture) and with a further increase in the numerical aperture, the light spot begins to increase again.
Технический результат изобретения - уменьшение диаметра светового пятна при фокусировке электромагнитного излучения.The technical result of the invention is the reduction of the diameter of the light spot when focusing electromagnetic radiation.
Технический результат достигается тем, что в известной оптической системе для формирования светового пятна, содержащей высокоапертурный рефракционный аксикон, освещаемый излучением с радиальной поляризацией и представляющий собой конический элемент из преломляющего материала с углом при вершине, обеспечивающим полное внутреннее отражение излучения с радиальной поляризацией, проходящего в сторону вершины конуса параллельно его оси, особенностью является то, что рефракционный аксикон дополнительно содержит металлическую наноразмерную сферу, прикрепленную к вершине его конуса.The technical result is achieved by the fact that in the known optical system for the formation of a light spot containing a high-aperture refractive axicon illuminated by radiation with radial polarization and representing a conical element of refractive material with an angle at the apex, providing full internal reflection of radiation with radial polarization passing to the side the top of the cone parallel to its axis, a feature is that the refractive axicon additionally contains a metal nanoscale a sphere attached to the top of its cone.
На чертеже представлен общий вид оптической системы в разрезе, где показаны: рефракционный аксикон 1, наносфера 2.The drawing shows a General view of the optical system in section, which shows: refractive axicon 1, nanosphere 2.
Рефракционный аксикон 1 изготовлен из преломляющего материала и имеет угол при вершине, обеспечивающий полное внутреннее отражение излучения, падающего со стороны основания (показано стрелками на фигуре). На вершине рефракционного аксикона 1 прикреплена наноразмерная сфера - наносфера 2, изготовленная из металла.The refractive axicon 1 is made of refractive material and has an angle at the apex, providing full internal reflection of radiation incident from the base side (shown by arrows in the figure). At the top of the refractive axicon 1, a nanoscale sphere is attached - a nanosphere 2 made of metal.
Принцип действия оптической системы основан на свойстве электромагнитного излучения концентрироваться в непосредственной близости от поверхностей с малыми радиусами кривизны. Излучение с радиальной поляризацией, проходящее через рефракционный аксикон, образует максимум интенсивности в непосредственной близости от вершины рефракционного аксикона. Продольная компонента электромагнитного поля для высокоапертурных оптических элементов гораздо мощнее и больше локализована на оптической оси, чем поперечные компоненты электромагнитного поля. Таким образом, излучение с радиальной поляризацией образует радиально симметричный максимум интенсивности вблизи вершины рефракционного аксикона, в котором превалирует продольная компонента. Металлическая преграда в виде наноразмерной сферы (наносферы) способствует концентрации излучения по обе стороны от наносферы перпендикулярно к направлению распространения излучения. Поскольку направление распространения продольной компоненты перпендикулярно оси конуса, максимум интенсивности образуется вблизи поверхности наносферы на продолжении оси конуса. Это приводит к уменьшению диаметра центрального пятна, сформированного оптической системой, до размеров, близких к размеру наносферы. Современные нанотехнологии, ориентированные на изготовление ближнепольных безапертурных зондов, позволяют прикреплять на вершину конуса наночастицы различных размеров, вплоть до размера в несколько молекул вещества, например, http://www.htmdt-tips.com/products/group/cp, где описаны консоли субмикронных сфер, присоединенных к самому концу иглы из кремния.The principle of operation of the optical system is based on the property of electromagnetic radiation to concentrate in close proximity to surfaces with small radii of curvature. Radiation with radial polarization passing through the refractive axicon forms a maximum of intensity in the immediate vicinity of the top of the refractive axicon. The longitudinal component of the electromagnetic field for high-aperture optical elements is much more powerful and more localized on the optical axis than the transverse components of the electromagnetic field. Thus, radiation with radial polarization forms a radially symmetric maximum of intensity near the top of the refractive axicon, in which the longitudinal component prevails. A metal barrier in the form of a nanoscale sphere (nanosphere) contributes to the concentration of radiation on both sides of the nanosphere perpendicular to the direction of radiation propagation. Since the direction of propagation of the longitudinal component is perpendicular to the axis of the cone, the maximum intensity is formed near the surface of the nanosphere on the continuation of the axis of the cone. This leads to a decrease in the diameter of the central spot formed by the optical system to sizes close to the size of the nanosphere. Modern nanotechnologies oriented to the manufacture of near-field apertureless probes allow nanoparticles of various sizes to be attached to the top of the cone, up to the size of several substance molecules, for example, http://www.htmdt-tips.com/products/group/cp, where the consoles are described submicron spheres attached to the very end of the silicon needle.
Работает оптическая система следующим образом: оптическое излучение с радиальной поляризацией освещает основание рефракционного аксикона 1 и проходит далее к его поверхности. Из-за полного внутреннего отражения излучение выходит наружу только в районе вершины конуса рефракционного аксикона 1, где суммируется таким образом, что происходит усиление продольной компоненты электромагнитного поля и ослабление поперечных компонент. Продольная компонента, распространяясь поперек оси конуса рефракционного аксикона 1, как бы огибает наносферу 2 и образует максимум вблизи ее поверхности. Максимум образуется только в месте расположения наносферы 2 и поэтому имеет размер, близкий к размеру наносферы 2.The optical system works as follows: optical radiation with radial polarization illuminates the base of the refractive axicon 1 and passes further to its surface. Due to the total internal reflection, radiation comes out only in the region of the top of the cone of the refractive axicon 1, where it is summed in such a way that the longitudinal component of the electromagnetic field is amplified and the transverse components are weakened. The longitudinal component, propagating across the axis of the cone of the refractive axicon 1, as if envelopes the nanosphere 2 and forms a maximum near its surface. The maximum is formed only at the location of nanosphere 2 and therefore has a size close to the size of nanosphere 2.
Предлагаемое техническое решение обеспечивает уменьшение размера светового пятна на оптической оси до размеров, определяемых размерами металлической наносферы.The proposed solution provides a reduction in the size of the light spot on the optical axis to sizes determined by the size of the metal nanosphere.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014110809/28A RU2562159C1 (en) | 2014-03-20 | 2014-03-20 | Optical system for forming sub-wavelength light spot |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014110809/28A RU2562159C1 (en) | 2014-03-20 | 2014-03-20 | Optical system for forming sub-wavelength light spot |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2562159C1 true RU2562159C1 (en) | 2015-09-10 |
Family
ID=54073541
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2014110809/28A RU2562159C1 (en) | 2014-03-20 | 2014-03-20 | Optical system for forming sub-wavelength light spot |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2562159C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2773808C1 (en) * | 2021-07-27 | 2022-06-09 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Сибирский государственный университет геосистем и технологий» | Zone plate with subwavelength resolution |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2004102230A1 (en) * | 2003-05-13 | 2004-11-25 | Carl Zeiss Smt Ag | Polarization-optimized axicon system, and an illuminating system for microlithographic projection system having such an axicon system |
| RU2457434C2 (en) * | 2010-07-06 | 2012-07-27 | Федеральное Государственное унитарное предприятие "научно-производственная корпорация "Государственный оптический институт имени С.И. Вавилова" | Nonlinearity laser meter |
| CN202794707U (en) * | 2012-08-03 | 2013-03-13 | 华侨大学 | Novel axicon capable of generating multiple bottle beams |
-
2014
- 2014-03-20 RU RU2014110809/28A patent/RU2562159C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2004102230A1 (en) * | 2003-05-13 | 2004-11-25 | Carl Zeiss Smt Ag | Polarization-optimized axicon system, and an illuminating system for microlithographic projection system having such an axicon system |
| RU2457434C2 (en) * | 2010-07-06 | 2012-07-27 | Федеральное Государственное унитарное предприятие "научно-производственная корпорация "Государственный оптический институт имени С.И. Вавилова" | Nonlinearity laser meter |
| CN202794707U (en) * | 2012-08-03 | 2013-03-13 | 华侨大学 | Novel axicon capable of generating multiple bottle beams |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| V. V. Kotlyar, A. A. Kovalev, S.S. Stafeev "Sharp focus area of radially-polarized gaussian beam propagation through an axicon," Progress In Electromagnetics Research C, Vol. 5, 2008, p.35-43. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2773808C1 (en) * | 2021-07-27 | 2022-06-09 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Сибирский государственный университет геосистем и технологий» | Zone plate with subwavelength resolution |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Lin et al. | Optimal photonic nanojet beam shaping by mesoscale dielectric dome lens | |
| Chen et al. | Tight focus of a radially polarized and amplitude-modulated annular multi-Gaussian beam | |
| Terakawa et al. | Near-field optics for nanoprocessing | |
| RU2562159C1 (en) | Optical system for forming sub-wavelength light spot | |
| Senthilkumar et al. | Focusing properties of spirally polarized sinh Gaussian beam | |
| Rui et al. | Plasmonic near-field probe using the combination of concentric rings and conical tip under radial polarization illumination | |
| Yang et al. | Ultra-narrow and ultra-strong nanojet for nanopatterning and nanolithography | |
| Wilson et al. | Generation and focusing of radially polarized electric fields | |
| Kuang et al. | Tuning of plasmonic nanofocusing with non-linear metallic helical nanocone | |
| Chen et al. | Photonic nanojets generated by rough surface micro-cylinders | |
| Li et al. | Plasmonic focusing in nanostructures | |
| Chen et al. | An integrated multistage nanofocusing system | |
| Zhang et al. | Nanopillar array with a λ/11 diameter fabricated by a kind of visible CW laser direct lithography system | |
| Okuda et al. | Improvement of focusing characteristics of a spiral plasmonic lens | |
| Dolatabadi et al. | Experimental observation of photonic nanojet under diverging beam | |
| Kozlova et al. | Laser Light Focusing by Aluminium Zone Plate | |
| Stafeev et al. | Near-field diffraction of laser light by dielectric corner step | |
| Kozlova et al. | Modeling of a plasmonic lens in thin gold and silver films | |
| CN112946878B (en) | Broadband transverse unidirectional scattering implementation method based on silicon hollow nano disc | |
| Sain et al. | Plasmonic coupling in metal nanocavities | |
| Mazilu et al. | Applications of propagation invariant light fields | |
| Kim et al. | Nondiffracting Bloch surface wave: 2D quasi-Bessel-Gauss beam | |
| Soifer et al. | Subwavelength focusing of laser light by microoptics devices | |
| Kim et al. | Generation of highly confined optical bottle beams by exploiting the photonic nanojet effect | |
| Gao et al. | Multiple foci generation and alteration by a radial sine phase filter |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20170321 |