Разрешение обычных систем из оптических линз всегда ограничено дифракционным пределом. Последние разработки в области искусственных метаматериалов открывают новые пути для создания гипер-линз и

Разрешение обычных систем из оптических линз всегда ограничено дифракционным пределом. Последние разработки в области искусственных метаматериалов открывают новые пути для создания гипер-линз и мета-линз, позволяющих получать изображения за дифракционным пределом. Гипер-линзы проецируют информацию со сверх-разрешением на дальнюю зону через механизм увеличения, когда мета-линзы не только увеличивают структуры с масштабом меньше длины волны, но и допускают оптические преобразование Фурье. В последнее время появились многочисленные разработки гипер- и мета-линз, обеспечивающие новые теоретические и экспериментальные достижения, однако ещё предстоит преодолеть целый ряд задач.

Оптическая микроскопия произвела революцию во многих областях, например в микроэлектронике, биологии и медицине. Как бы то ни было, разрешение обычных оптических систем состоящих из линз ограничено дифракцией равной примерно половине длины волны света. Этот дифракционный барьер возникает из-за того что информация меньше длины волны от объектов переносится затухающими волнами с высоким уплотнением пространственных частот, которые существуют только в зоне ближнего поля. Чтобы преодолеть дифракционный предел, была проделана новаторская работа, включающая в себя ближнепольную микроскопию, а так же методы формирования изображения основанные на флюоресценции. Ближнепольная микроскопия или безпроекционная техника случайной выборки позволяет достичь сверх-разрешающую способность, но в ущерб скорости формирования изображения, что делает данные методы неконкурентоспособными в формировании динамических изображений. Проекционные линзы остаются лучшим решением для высокоскоростной микроскопии. Иммерсионные технологии были созданы с целью увеличения разрешения, но они ограничены низкими показателями преломления натуральных материалов. Возникшие за последнее десятилетие области плазмоники и метаматериалов обеспечивают возможность создания необычных материалов со свойствами не существующими в природе, такими как отрицательный коэффициент преломления или сильно анизотропных материалов. Это дало огромные возможности для создания линз с ранее недоступным разрешением. Основываясь на общих представлениях Пендри о совершенной линзе, было продемонстрировано несколько суперлинз с разрешающей способностью за дифракционным пределом. Оптические суперлинзы впервые достигли суб-диффракционного разрешения за счет увеличения затухающих волн при помощи серебряной пластины. Так как увеличение затухающего поля осуществляется при помощи возбуждения поверхностных плазмонов, изображения меньше длины волны, как правило, ограничены ближним полем металлической пластины. Как бы то ни было, гиперлинзы —основанные на метаматериалах линзы— могут посылать изображения со сверх-разрешением в область дальней зоны при помощи механизма увеличения. Они рассматриваются как самые многообещающие кандидаты для практического применения со времени их первой демонстрации в 2007 году. В последнее время различные линзы, основанные на мета-материалах, металинзы, так же разрабатывались с возможностью преобразований Фурье и супер-разрешающей способностью, что делает их более похожими на обычные линзы, но с превосходящими способностями. В этом обзоре мы опишем the underlying physics of гиперлинз и металинз, их строение и принципы работы, преимущества, основные ограничения и практические проблемы, а так же предложения дальнейшего развития. В расширение концепции гиперлинз так же входит трансформация электромагнитных волн в акустические. В дополнение мы обсудим некоторые другие технологии супер-разрешения, такие как ближнепольное рассеяние и технология инверсии-времени.

Излучение или рассеяние света от объектов включает в себя как компонент распространения, так и компонент затухания, соответствующий низким и высоким волновым векторам, соответственно. Распространяющиеся волны несущие общую информацию достигают дальнего поля, в то время как затухающие волны, содержащие подробную информацию, не могут распространяться в нормальных условиях материи, и, таким образом, ограничиваются ближним полем. Дифракционно-ограниченное формирование изображения происходит из-за того, что глубокая информация меньшая длины волны переносимая затухающими волнами не может достичь дальнего поля, и поэтому не участвует в формировании конечного изображения. Создание гиперлинзы для формирования изображения со сверхразрешением в дальнем поле основывается на двух основных требованиях: материал, который поддерживает распространение волн с высоким волновым вектором и увеличивающий механизм, то есть преобразование высоко-волновекторных волн в волны низкого волнового вектора так, что информация супер-разрешения может быть направлена в дальнее поле. Анизотропные плазмонные метаматериалы являются одними из самых практичных вариантов для выполнения первого требования, для которых нет необходимости иметь дело с конструкцией проницаемости, а только с проницаемостью по различным направлениям; Таким образом, значительно уменьшаются потери (сноски 8, 22). Простейшие анизотропные плазмонные метаматериалы могут быть построены нанесением переменных слоев металла и диэлектрика (Вставка 1). При толщине слоя значительно меньше, чем длина зондирования волны, эффективной средой приближения обычно используется для описания диэлектрической проницаемости по различным направлениям, т. е. e_x, e_y и e_z (См. 23). Хотя термин "гиперлинза" был применен к метаматериалам с гиперболическим дисперсионным соотношением, то есть, e_x=e_y и e_z принимая различные знаки (сноска 15), эллиптически дисперсионные метаматериалы также могут быть использованы для построения гиперлинзы до тех пор, пока покрытие боковых волновых векторов является достаточно большим (сноска 24). Увеличивающий механизм, то есть, сжатие волнового вектора, получается за счет изгиба плоских слоев в со-изогнутые по центру слои (сноски 9, 15), что может быть объяснено оптикой преобразования (сноска 25). В связи с сохранением углового момента, тангенциальные волновые вектора постепенно сжимаются, так как волны движутся радиально. Увеличенное изображение, переносимое низкими волновыми векторами, будет в конечном счете сформировано на внешней границе гиперлинзы до распространения в дальнем поле за счет окружающей среды. Увеличение на поверхности выхода задана простым соотношением радиусов на двух границах. Практические конфигурации гиперлинзы были предложены различными группами, в том числе цилиндрической геометрией (сноски 15, 25,26), лучами конической металлической проволоки (сноски 27-30) или дисперсией уникально спроектированного материала (31-34). Чтобы обойти проблему поглощения в настоящих материалах и тем самым избежать искажения изображения в дальнем поле, надлежащий конфигурационной дизайн должен обеспечить условие равенства путей всех лучей, происходящих из плоскости объекта и путешествующих через метаматериал. Рассеяние на поверхности гиперлинзы,однако, оказалось вредным для реальных приложений визуализации. Правила проектирования были предложены для impedance match гиперлинзы из метаматериалов с внутренними и внешними границами, используя RADIUS-зависимую магнитную проницаемость (35). Сравнимая производительность может быть достигнута за счет снижения поверхностного отражения в немагнитных метаматериалах за счет impedance matching на одной из поверхностей гиперлинзы вместо другогой. Этот компромисс был подтвержден моделированием и может быть практически реализован (35, 36). Из-за использования изогнутых поверхностей, цилиндрическая конструкция гиперлинзы не удобна для био-изображений. Было доказано, что построение плоской гиперлинзы теоретически возможно с помощью дисперсии специфических материалов на основе оптики преобразования (31, 32,37). В таких конструкциях, свойства метаматериала предназначены для объединения лучей света из subwavelength features таким образом, чтобы образовать изображение на необъемной плоскости выхода.

Теоретически предсказания о гиперлинзах, использующих оптику анизотропных сред, состоящих из изогнутых мультислойных стеков, которые вдохновили проводить экспериментальные исследования общего представления гиперлинзы. Первая одномерная (1D) оптическая гиперлинза была продемонстрирована на ультрафиолетовых частотах по конформным осаждениям Ag и Al2O3 многослойных плёнок на цилиндрической кварцевой полости (Fig. 1a)13,38. Суб-дифракционно-ограниченные объекты с расстоянием от центра до центра, равным 130-nm, наблюдались непосредственно в дальнем поле (Fig. 1b,c). Увеличенное гиперлинзой изображение показывает, что объект полностью разрешен, по сравнению с дифракционно-ограниченными изображениями в контрольном эксперименте. До сих пор в экспериментах с гиперлинзой достигались разрешения с пиком в 125nm (l/2.92) работающих на длине волны равной 365nm (ref. 38), хотя некоторые представленные конструкции с более высоким разрешением достигали примерно l/9 (ref. 39). Другой подход к реализации цилиндрической увеличивающей суперлинзы заключается в использовании поверхностных плазмонных волн, ограниченных на металлической поверхности с концентрической полимерной решеткой14. Увеличенные изображения поверхностных волн после рассеяния шероховатой поверхностью собираются микроскопом. Цилиндрические гиперлинзы представляют только 1D улучшение разрешения, что ограничивает их практическое применение. Сферические гиперлинзы с двумерной сверх-разрешающей способностью оказались более желанными, и недавно экспериментольно демонстрировались в видимой спектральной области17. Эти 2D гиперлинзы были созданы путём осаждения чередующихся слоев из Ag и Ti3O5 тонких плёночек в полусферической геометрии, основанной на гиперболической дисперсии, которая поддерживает распространение очень высоко-частотных волн с той же фазовой скоростью. Объект с в промежутке до 160nm в треугольной конфигурации на сферической гиперлинзе (Fig. 1d) полностью разрешается в дальнее поле (Fig. 1e), за дифракционным пределом, 205nm, на длине волны равной 410nm. Соответствующее разделение изображения равно 333nm в анализе поперечного сечения, показанного на Fig. 1f, отражаясь в усредненном коэффициенте увеличения 2.08. Эти эксперименты, доказывающие верность концепции, обеспечиваются гиперлинзами с гиперболической дисперсией, работающими на ультрафиолетовых и видимых длинах. При соответствующей комбинации материалов, становится достижимым широкий рабочий диапазон в инфракрасной и видимой областях для гиперболической и сильно вытянутой эллиптической дисперсии36. Разрешение гиперлинзы существенно зависит от геометрии, потерь, а так же качества плёнки. В дополнение к увеличению увеличения с более высоким отношением внешнего к внутреннему радиусам, разрешение может быть улучшено путем выбора соответствующего коэффициента наполнения металлических и диэлектрических компонентов, потому что, как дисперсия достигает плоскости, это приводит к перемещению ещё более высоких пространственно-частотной информации36. Хотя внутренние потери в металлах являются неизбежными, гиперлинза может быть оптимизирована за счет увеличение диэлектрических компонентов или работы на более длинных волнах. Высшие оптические передачи так же могут быть реализованы при помощи резонантных структур 40,41. Кроме того, вместо конформного осаждения плёнки, производство основывается на rolled-up технологии, обеспечивающий альтернативный метод контроля конформности и шероховатости пленки 41–44. Другая идея получения сверх-разрешения, основанная на массивах из металлических проводов, была предложена для достижения широкого диапазона рабочей длины волны на пути распространения 27. Экспериментальные демонстрации, как бы то ни было, были ограничены формированием изображений меньших длины волны в ближнем поле, используя металлические провода выращенные из диэлектрических образцов45,46. Массив из конических наностержней с увеличивающим механизмом для дальнепольного формирования изображений продолжает испытывать трудности в достижении роста точности в конических углах и зазорах между лучами47. С увеличением усилия направленного на рост технологий48–50, экспериментальные демонстрации предлодженной схеме формирования цветных изображений меньших длинны волны может стать реальностью в ближайшем будущем.

Дата добавления: 2015-08-27