XIV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2022

ВВЕДЕНИЕ

Нанооптика строится на достижениях классической оптики, восходящей ещё к античности, когда были созданы собирающие линзы, способные создать условия поджигания, известны были и законы отражения, а греческие философы Евклид и Эмпедокл размышляли о природе света, они были первыми, кто предпринял систематическое изучение оптики. [1]

В оптике считалось, что существует фундаментальный предел разрешающей способности оптического изображения. Это связано с наличием критерия Рэлея, согласно которому минимальный размер видимого объекта несколько меньше длины волны используемого света и ограничен дифракцией излучения.

Нанооптика – это направление в nanoscience и nanotechnology, которое использует свет, локализованный в пространстве на размерах ( – длина волны света) или в объёме V³.

В нанооптике используются новые и модифицированные известные эффекты линейного или нелинейного, классического или квантового взаимодействия лазерного света с атомами, молекулами, кластерами и наноструктурами. Практическое развитие этой области основано на создании лазеров нанотехнологии, которая позволяет создавать субмикронные структуры (наноотверстия, нанощели и т.д.) для локализации света в очень малых размерах.

Нанооптика

Нанооптика представляет собой раздел науки, в котором исследуются оптические явления и технологии на нанометровом масштабе, то есть вблизи дифракционного предела света и даже ниже. Стремительное развитие нанонауки и нанотехнологий в целом обусловливает и быстрое становление нанооптики, что требует формирования адекватного инструментария и идейного аппарата для описания явлений на наномасштабах, создания наноструктур и управления с их помощью светом. [2]

Используя структуры нанометровых размеров стало возможным создать ближнепольный микроскоп, с помощью которого был преодолён дифракционный предел в оптике.
Пространственное разрешение этого микроскопа зависит от условий освещения. Предельное разрешение, например, для зонда с алюминиевым покрытием в видимом диапазоне спектра составляет примерно 13 нм, а при развитии данной технологии теоретически можно достигнуть 1 нм. Это позволило изучать биологические объекты без их повреждения и в естественном окружении. Также это важно в наноэлектронике для исследования поверхности и топологии элементов с высокой локальностью.

Фундаментальные черты.

Нанооптика открывает путь к фундаментальным исследованиям структур нанометрового масштаба.

Фундаментальные черты нанооптики:

возможность сильно локализовать лазерный свет для изучения структуры вещества с нанометровым пространственным разрешением, но с сохранением спектральной селективности, характерной для оптики;

отклик вещества (атома, молекулы и т.д.) на локализованный свет существенно изменяется вблизи наноструктур по сравнению со случаем свободного пространства.

Ещё одним интересным эффектом нанооптики является изменение вероятностей, запрещённых, в частности квадрупольных, переходов вблизи диэлектрической наноиглы. Оптические переходы между уровнями квантовомеханической системы классифицируют по мультипольности: дипольные переходы, квадрупольные переходы, октупольные переходы и т.д. Обычно квадрупольные переходы по интенсивности следуют после дипольных, а октупольные после квадрупольных, чем выше мультипольность, тем слабее квантовомеханическая система взаимодействует со светом. [3]

Методы и применение нанооптики.

Нанооптика позволяет преодолеть практически все недостатки в методах классической оптики и стремится соответствовать сильным сторонам микроэлектроники.

Нанооптические элементы состоят из множества наноструктур, полученных в виде схем и внедрённых непосредственно в материал. В зависимости от оптической функции, рабочей длины волны и требований производства, они выполняются из металлов, стекла, пластмассы и диэлектриков. Эти структуры часто принимают форму ультратонкой дифракционной решётки с размерами от десяти до сотен нанометров, это позволяет нанооптическим устройствам выполнять свои функции в очень тонких слоях, порядка микрона толщиной. Такие решётки называются многофункциональными и перестраиваемыми. В их конструкции могут меняться: высота (h), ширина (l) и период (T), решётка может быть одномерной или многомерной, а также существует большое разнообразие материалов, из которых их можно изготавливать.

Комбинируя и меняя указанные параметры, можно добиться не только основных свойств решётки, но и оптимизировать, настроить устройство, благодаря чему оно способно стать изотропным, более устойчивым к перепаду температур и изменению рабочих длин волн.

Практическое развитие области нанооптики основано на создании лазеров и нанотехнологий, которая позволяет создавать наноструктуры: кластеры, плёнки, трубки.

Нанооптика может быть применена, например, для создания ахроматической широкополосной волновой пластины нулевого порядка, которая обеспечивает равномерное деление длин волн.

Рис. 1 «Четвертьволновая пластина»

Например, создана четвертьволновая пластина для диапазона длин волн порядка 630-760 нм, которые используются в CD/DVD комбинированных проигрывателях. Это позволяет одному оптическому устройству работать сразу с двумя длинами волн. В таких устройствах два оптических пути объединяются в один, за счёт этого обеспечивается лучшая и стабильная работа устройства, при более низкой себестоимости.

Интеграция нескольких нанооптических функциональных слоёв в одном устройстве может дать ещё большее преимущество перед отдельными функциональными слоями. Комбинируя подобные устройства с фоторегистраторами, создают высокоскоростные приборы обратной связи для определения поляризации и фазового состояния падающего света.

При наблюдении космических объектов, стало возможным определить размер объекта, диаметр звезды, даже если он значительно меньше длины волны регистрируемого излучения.

На основе нанооптических элементов может быть изготовлен переменный оптический аттенюатор. Это устройство для гашения мощности, он создан из скрещенных пар поляризационных наноструктур, прослаивающих жидкокристаллическую решётку. Электрическое поле, пропускаемое через кристалл, будет заставлять вращаться его молекулы и тем самым контролировать частицы света, проходящие через жидкокристаллическую структуру.

Невероятно маленькая толщина поляризатора, порядка 2 мкм, объясняется тем, что он встроен непосредственно в жидкокристаллическую решётку. А на примере оптрона можно увидеть, как гибридная интеграция нанооптики может радикально упростить компоненты, а также уменьшить их.

Микроэлектроника заняла своё достойное место благодаря компактности, высокому уровню интеграции, соотношению достаточно низкой цены и высокого качества. Если посмотреть на микроэлектронику с точки зрения модернизации и практических «превращений», есть основания полагать, что нанооптика может претерпевать аналогичные изменения. [4]

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Нанооптика относительно новая наука в нанотехнологиях. В настоящее время ведутся активные исследования в этой области, достижения в этой области отражают важную особенность современного этапа научно-технического развития. Нанооптика позволяет преодолеть практически все недостатки в методах классической оптики и стремится соответствовать сильным сторонам микроэлектроники.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Новотный Л., Хехт Б. «Основы нанооптики» // М. ФИЗМАТЛИТ, 2009. – 484 с. – ISBN 978-5-9221-1095-2

Либенсон М.Н. «Преодоление дифракционного предела в оптике» // Соросовский образовательный журнал, Том 6, №3, 2000

Летохов В.С. «Проблемы нанооптики» // УНФ 169 345-346 (1999)

Виолетта Зыбина «Технологии нанооптики» // https://laserportal.ru/content_1288

Код для цитирования: Скопировать