ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК, 2014, том 84, № 1, с. 11-24
С КАФЕДРЫ ПРЕЗИДИУМА РАН
Б01: 10.7868/80869587314010162
Устройства дифракционной нанофотоники способны сыграть важную роль в создании высокопроизводительных вычислительных систем и развитии перспективных информационных технологий. В ближайшее время ожидается появление интегрированных на чипе электронных и фотонных компонентов, которые позволят реализовать мобильные устройства обработки видеоинформации и управления движущимися объектами, гиперспектрометры и оптические аналоговые вычислительные машины. Публикуемый ниже доклад посвящён проблемам и достижениям в этом разделе фотоники.
ДИФРАКЦИОННАЯ НАНОФОТОНИКА И ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
В.А. Сойфер
Дифракция волн (лат. й1//гасШз — разломанный, переломанный, огибание препятствия волнами) — явление, которое проявляет себя как отклонение от законов геометрической оптики при распространении волн. Общее свойство всех эффектов дифракции — зависимость степени её проявления от соотношения между длиной волны и характерным размером неоднородностей среды. Дифракция была впервые описана в 1673 г. шотландским математиком Джеймсом Грегори, который изучал разложение белого света в спектр с помощью птичьего пера.
Нанофотоника рассматривает взаимодействие света с частицами вещества или неоднородностя-ми, размеры которых меньше и много меньше длины волны, и устройства, разработанные на этой основе. Дифракционная нанофотоника занимается процессами и устройствами, в которых определяющими являются волновые свойства света [1]. Она допускает возможность выявления принципов поведения света в рамках уравнений Максвелла, при этом размеры характерных неод-нородностей должны существенно превышать атомный размер. Это необходимо для обозначения
Н уё^щ^^^Н СОЙФЕР Виктор Александро-I вич — член-корреспондент РАН, директор Института систем обА работки изображений РАН.
оптических свойств с помощью макроскопических характеристик диэлектрической и магнитной проницаемости. Таким образом, в дифракционной на-нофотонике исследуется дифракция света на объектах с минимальными неоднородностями от десятков нанометров до квантовых точек размером около 10 нм (это намного больше, чем отдельные атомы и простые молекулы вещества), поэтому вещество описывается на макроуровне, то есть в рамках макроскопической электродинамики.
Также в этот раздел науки входят оптика фотонных кристаллов и микроструктурированных волноводов, плазмоника, микроскопия ближнего поля, метаматериалы и оптическое микроманипулирование.
Дифракционная компьютерная оптика. Первыми дифракционными оптическими элементами (ДОЭ) были амплитудные дифракционные решётки, представляющие собой совокупность большого числа чередующихся тёмных и светлых полос (зон). Так в 1785 г. американский астроном Дэвид Риттенхаус изучал дифракционную решётку, изготовленную из волос, а в 1821 г. немецкий физик Йозеф Фраунгофер проводил опыты с дифракционной решёткой из проволоки. Дифракционные решётки являются плоскими аналогами призм и способны разлагать белый свет в спектр. Позже, в конце XIX в., во Франции появился и плоский аналог линзы — зонные пластинки (ЗП), на которых зоны располагаются кольцами. Впоследствии были изобретены прозрачные фазовые дифракционные решётки и зонные пластинки с дифракционным микрорельефом, у которых переходу от тёмной полосы к светлой соответствует ступенчатый скачок на величину порядка длины волны X, обеспечивающий набег фазы волны на п. Дифракционная (энергетическая) эффек-
Таблица 1. Разрешение устройств записи ДОЭ и математический аппарат
Тип оптического элемента и год создания Тип устройств записи микрорельефа Разрешение устройства записи Математический аппарат
Фокусаторы для дальнего ИК-излучения, 1980 г. ДОЭ видимого и ближнего ИК-диапазона, 1995 г. Устройства дифракционной нанофотоники, 2010 г. Фотопостроители Лазерные устройства записи Электронные литографы 10—25 мкм 0.5—1 мкм <10 нм Геометрооптический. Уравнение эйконала Уравнение Гельмгольца. Интеграл Кирхгофа Уравнения Максвелла
тивность фазовых ДОЭ примерно в 2 раза выше, чем амплитудных. Такие решётки широко используются как спектральные приборы, в то время как зонные пластинки применяются в основном в лабораторном практикуме по оптике.
Появление лазеров, развитие компьютерной техники и устройств записи изображений позволили по-новому взглянуть на дифракционную оптику, рассматривая ДОЭ как преобразователь монохроматического излучения. Такой подход наиболее близок к задачам оптической обработки информации. Компьютерная оптика как новое научное направление возникла в СССР в конце 70-х — начале 80-х годов прошлого века. Вместе с академиком А.М. Прохоровым и профессором И.Н. Сисакяном автору посчастливилось стоять у истоков этого научного направления и принимать участие в формулировке основных положений, в проведении исследований и создании первых элементов дифракционной компьютерной оптики. Основная идея компьютерной оптики — решение обратной задачи дифракции относительно границ и профиля зон ДОЭ и запись дифракционного микрорельефа на плоской подложке. В работах [2—4] заложены основы компьютерной оптики, главные разделы которой — фокусировка лазерного света с заданным распределением интенсивности [2], селекция пространственных мод лазерного излучения [3] и формирование вихревых лазерных пучков [4]. Компьютерная оптика стала направлением научных исследований филиала Центрального конструкторского бюро уникального приборостроения АН СССР, который был организован в 1988 г. в Куйбышеве, а в 1993 г. на базе этого филиала создан Институт систем обработки изображений РАН (ИСОИ РАН). Начиная с 1987 г. издаётся журнал "Компьютерная оптика", который освещает актуальные проблемы дифракционной оптики и информационных технологий. Журнал индексируется и реферируется в международных информационных базах данных Scopus и Compendex.
Очередной импульс к развитию дифракционная компьютерная оптика получила в начале нынешнего века с появлением нанотехнологического оборудования, позволившего осуществлять запись
дифракционных наноструктур с характерным размером зон порядка 10 нм. На одном чипе может быть размещено значительное количество таких компонентов, что открывает огромные возможности для создания новых информационных технологий.
С распространением электронных технологий и увеличением пространственного разрешения устройств записи микрорельефа менялись и математические методы, описывающие процесс дифракции света на ДОЭ. В таблице 1 показана согласованная динамика изменения разрешения устройств записи синтезированных ДОЭ и математического аппарата их описания.
Современные методы дифракционной оптики и нанофотоники основываются на решении системы уравнений Максвелла. Наиболее распространёнными из них можно назвать метод разностного решения уравнений Максвелла с учётом зависимости от времени (FDTD-метод) [5], метод конечных элементов для расчёта дифракции монохроматического поля, основанный на кусочно-линейной аппроксимации амплитуды для треугольных сеточных областей ^ЕМ-метод) [6] и метод Фурье-мод, эффективный для исследования дифракции монохроматического излучения на периодических бинарных структурах (ЯС^А-метод) [7]. Рассмотрим ряд решённых задач дифракционной нанофотоники.
Преодоление дифракционного предела. В оптическом приборостроении и оптических информационных системах одним из ограничений на объём передаваемой информации, на разрешение оптических устройств памяти и на минимальные размеры электронных микросхем на чипах является дифракционный предел (ДП), открытый в 1873 г. немецким физиком Эрнестом Аббе. Он означает, что свет, в том числе лазерный, нельзя сфокусировать в точку. Размер минимального фокусного пятна по полуспаду интенсивности света равен половине длины волны в рассматриваемой среде. Уменьшить ДП можно выбором излучения с меньшей длиной волны и использованием материала для иммерсии с большим показателем преломления.
Преодолеть дифракционный предел позволяют дифракционные оптические элементы, фокусирующие свет вблизи своей поверхности. Ниже будут рассмотрены два примера преодоления ДП с помощью элементов бинарной микрооптики — зонной пластинки и аксикона. Существует большое количество работ, посвящённых исследованию фокусировки света с помощью зонных пластинок (ЗП) с фокусным расстоянием, сопоставимым с длиной волны. Например, в работе [8] численно и экспериментально исследуется фокусировка линейно-поляризованного света с длиной волны X = 633 нм с помощью френелевской ЗП с фокусным расстоянием 0.5 мкм. Экспериментально наблюдалось эллиптическое фокусное пятно с наименьшим диаметром по полуспаду интенсивности FWHM = 0.63X. Было получено значение диаметра фокусного пятна FWHM = = 0.39X при моделировании методом FDTD, а также с помощью формул Ричардса—Вольфа фокусировки плоской линейно-поляризованной волны ЗП с фокусным расстоянием 0.5 мкм [9].
В ИСОИ РАН изучалась фазовая ЗП Френеля (рис. 1, а) с фокусным расстоянием 0.532 мкм, радиусом 7.7 мкм и глубиной рельефа 510 нм. С помощью сканирующего ближнепольного оптического микроскопа исследовалось прохождение линейно-поляризованного Гауссова пучка с длиной волны X = 532 нм через такую ЗП. Экспериментально зарегистрировано фокусное пятно с диаметром по полуспаду интенсивности FWHM = 0.44X. Проведено численное моделирование (методом FDTD) фокусировки света данной ЗП, которое показало, что диаметр фокусного пятна равен FWHM = 0.42X, при этом среднеквадратичное отклонение экспериментальной кривой от расчётной было равно 5%. Этот диаметр меньше дифракционного предела (FWHM = = 0.51 X) на 18%, что является рекордным результатом для ЗП на сегодняшний день.
Радиусы ЗП рассчитывались по известной формуле rm = (mXf + m2X2/4)1/2, где f — фокусное расстояние, m — номер радиуса. Эксперимент осуществлялся с помощью сканирующего ближ-непольного оптического микроскопа NTEGRA Spectra (NT-MDT). ЗП освещалась линейно-поляризованным Гауссовым пучком с длиной волны 532 нм, затем измерялось распределение интенсивности на различных расстояниях от пове
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.