Дифракционный: Дифракционный спектр, теория и примеры

Дифракционный спектр, теория и примеры

Онлайн калькуляторы

На нашем сайте собрано более 100 бесплатных онлайн калькуляторов по математике, геометрии и физике.

Справочник

Основные формулы, таблицы и теоремы для учащихся. Все что нужно, чтобы сделать домашнее задание!

Заказать решение

Не можете решить контрольную?!
Мы поможем! Более 20 000 авторов выполнят вашу работу от 100 руб!

Главная Справочник Физика Дифракционный спектр

Определение и общие понятия о дифракционном спектре

При этом основная часть световой энергии сосредоточена в центральном максимуме.

Если в качестве рассматриваемого прибора, при помощи которого осуществляется дифракция, взять дифракционную решётку, то из формулы:

   

(где d – постоянная решетки; – угол дифракции; – длина волны света; . – целое число), следует, что угол под которым возникают главные максимумы связан с длиной волны падающего на решетку света (свет на решетку падает нормально). Это означает, что максимумы интенсивности, которые дает свет разной длины волны, возникают в разных местах пространства наблюдения, что дает возможность применять дифракционную решетку как спектральный прибор.

Если на дифракционную решетку падает белый свет, то все максимумы за исключением центрального максимума, раскладываются в спектр. Из формулы (1) следует, что положение максимума го порядка можно определить как:

   

Из выражения (2) следует, что с увеличением длины волны, расстояние от центрального максимума до максимума с номером m увеличивается. Получается, что фиолетовая часть каждого главного максимума будет обращена к центру картины дифракции, а красная область наружу. Следует вспомнить, что при спектральном разложении белого света фиолетовые лучи отклоняются сильнее, чем красные.

Дифракционную решетку применяют как простой спектральный прибор, с помощью которого можно определять длину волны. Если известен период решетки, то нахождение длины волны света сведется к измерению угла, который соответствует направлению на избранную линию порядка спектра. Обычно используют спектры первого или второго порядков.

Следует отметить, что дифракционные спектры высоких порядков накладываются друг на друга. Так, при разложении белого света спектры второго и третьего порядков уже частично перекрываются.

Дифракционное и дисперсное разложение в спектр

При помощи дифракции, как и дисперсии можно разложить луч света на составляющие. Однако есть принципиальные отличия в этих физических явлениях. Так, дифракционный спектр – это результат огибания светом препятствий, например затемненных зон у дифракционной решетки. Такой спектр равномерно распространяется во всех направлениях. Фиолетовая часть спектра обращена к центру. Спектр при дисперсии можно получать при пропускании света сквозь призму. Спектр получается растянутым в фиолетовом направлении и сжатым в красном. Фиолетовая часть спектра занимает большую ширину, чем красная. Красные лучи при спектральном разложении отклоняются меньше, чем фиолетовые, значит, красная часть спектра ближе к центру.

Максимальный порядок спектра при дифракции

Используя формулу (2) и принимая во внимание то, что не может быть больше единицы, получим, что:

   

Примеры решения задач

Понравился сайт? Расскажи друзьям!

StudyPort.Ru — Дифракция света

Страница 1 из 3

68. Точечный источник света (λ = 0,5 мкм) расположен на расстоянии a = 1 м перед диафрагмой с круглым отверстием диаметра d = 2 мм. Определите расстояние b от диафрагмы до точки наблюдения, если отверстие открывает три зоны Френеля.

69. Определите радиус третьей зоны Френеля, если расстояние от точечного источника света (λ = 0,6 мкм) до волновой поверхности и от волновой поверхности до точки наблюдения равно 1,5 м.

70. На диафрагму с круглым отверстием диаметром d = 5 мм падает нормально параллельный пучок света с длиной волны λ = 0,6 мкм. Определите расстояние от точки наблюдения до отверстия, если отверстие открывает: 1) две зоны Френеля; 2) три зоны Френеля.

71. Определите радиус третьей зоны Френеля для случая плоской волны. Расстояние от волновой поверхности до точки наблюдения равно 1,5 м. Длина волны λ = 0,6 мкм.

72. Определите радиус четвертой зоны Френеля, если радиус второй зоны Френеля для плоского волнового фронта равен 2 мм.

73. Определите радиус первой зоны Френеля, если расстояние от точечного источника света (λ = 0,5 мкм) до зонной пластинки и от пластинки до места наблюдения a = b = 1 м.

74. На зонную пластинку падает плоская монохроматическая волна (λ = 0,5 мкм). Определите радиус первой зоны Френеля, если расстояние от зонной пластинки до места наблюдения b = 1 м.

75. Зонная пластинка дает изображение источника, удаленного от нее на 2 м, на расстоянии 1 м от своей поверхности. Где получится изображение источника, если его удалить в бесконечность?

76. Дифракция наблюдается на расстоянии 1 м от точечного источника монохроматического света (λ = 0,5 мкм). Посередине между источником света и экраном находится диафрагма с круглым отверстием. Определите радиус отверстия, при котором центр дифракционных колец на экране является наиболее темным.

77. Сферическая волна, распространяющаяся из точечного монохроматического источника света (λ = 0,6 мкм), встречает на своем пути экран с круглым отверстием радиусом r = 0,4 мм. Расстояние a от источника до экрана равно 1 м. Определите расстояние от отверстия до точки экрана, лежащей на линии, соединяющей источник с центром отверстия, где наблюдается максимум освещенности.

78. На экран с круглым отверстием радиусом r = 1,5 мм нормально падает параллельный пучок монохроматического света с длиной волны λ = 0,5 мкм. Точка наблюдения находится на оси отверстия на расстоянии b = 1,5 м от него. Определите: 1) число зон Френеля, укладывающихся в отверстии; 2) темное или светлое кольцо наблюдается в центре дифракционной картины, если в месте наблюдения помещен экран.

79. На экран с круглым отверстием радиусом r = 1,2 мм нормально падает параллельный пучок монохроматического света с длиной волны λ = 0,6 мкм. Определите максимальное расстояние от отверстия на его оси, где еще можно наблюдать наиболее темное пятно.

81. Дифракция наблюдается на расстоянии l от точечного источника монохроматического света (λ = 0,5 мкм). Посередине между источником света и экраном находится непрозрачный круглый диск диаметром 5 мм. Определите расстояние l, если диск закрывает только центральную зону Френеля.

82. На узкую щель шириной a = 0,05 мм падает нормально монохроматический свет с длиной волны λ = 694 нм. Определите направление света на вторую дифракционную полосу (по отношению к первоначальному направлению света).

83. На узкую щель падает нормально монохроматический свет. Его направление на четвертую темную дифракционную полосу составляет 2°12′. Определите, сколько длин волн укладывается на ширине щели.

84. На щель шириной a = 0,1 мм падает нормально монохроматический свет (λ = 0,6 мкм). Экран, на котором наблюдается дифракционная картина, расположен параллельно щели на расстоянии l = 1 м. Определите расстояние b между первыми дифракционными минимумами, расположенными по обе стороны центрального фраунгоферова максимума.

85. На щель шириной a = 0,1 мм падает нормально монохроматический свет с длиной волны λ = 0,5 мкм. Дифракционная картина наблюдается на экране, расположенном параллельно щели. Определите расстояние l от щели до экрана, если ширина центрального дифракционного максимума b = 1 см.

86. Монохроматический свет с длиной волны λ = 0,6 мкм падает на длинную прямоугольную щель шириной a = 12 мкм под углом α₀ = 45° к ее нормали. Определите угловое положение первых минимумов, расположенных по обе стороны центрального фраунгоферова максимума.

87. Монохроматический свет падает на длинную прямоугольную щель шириной a = 12 мкм под углом α = 30° к ее нормали. Определите длину волны λ света, если направление φ на первый минимум (m = 1) от центрального фраунгоферова максимума составляет 33°.

88. На дифракционную решетку нормально падает монохроматический свет с длиной волны λ = 600 нм. Определите наибольший порядок спектра, полученный с помощью этой решетки, если ее постоянная d = 2 мкм.

Дифракционная оптика, объяснение в Энциклопедии RP Photonics; решетки, светоделители, дифракционные линзы, микрооптика, изготовление

Дом	Викторина	Руководство покупателя
Поиск	«> Категории	Глоссарий	Реклама

Прожектор фотоники

Учебники

Показать статьи A-Z

Примечание: поле поиска статьи по ключевому слову и некоторые другие функции сайта требуют Javascript, который, однако, отключен в вашем браузере.

можно найти в Руководстве покупателя RP Photonics. Среди них:

Дополнительные сведения о поставщике см. в конце этой статьи энциклопедии или перейдите на страницу

.

Список поставщиков дифракционной оптики

Вас еще нет в списке? Получите вход!

Используя наш рекламный пакет, вы можете разместить свой логотип и далее под описанием вашего продукта.

Дифракционная оптика — это оптика, основанная на элементах, принципы работы которых в основном основаны на явлении дифракции света. С помощью таких устройств можно получить очень широкий спектр оптических функций.

Возможно, самым простым примером являются дифракционные решетки и аналогичные устройства, в которых используется дифракция на определенных периодических решетчатых структурах. Однако термин дифракционных оптических элементов чаще всего используется в контексте микрооптических элементов (см. ниже). Основными преимуществами микрооптической дифракционной оптики являются универсальность для достижения широкого спектра оптических функций (частично со значительным улучшением производительности по сравнению с другими подходами) и возможность достижения этого с очень тонкими устройствами.

Типичным аспектом дифракционных оптических элементов является зависимость их характеристик от длины волны, поскольку оптическая длина волны влияет на различия в оптической фазе, которые необходимы для дифракционных эффектов. В частности, в приложениях, связанных с лазерами, это часто не проблема, потому что лазерное излучение в любом случае ограничено небольшой оптической полосой пропускания. Более проблематичным является тот факт, что значительная оптическая мощность часто остается в нулевом порядке дифракции, что непригодно для применения.

Следующие описания поясняют наиболее важные типы дифракционных устройств.

Периодические дифракционные решетки

Периодические дифракционные решетки могут быть изготовлены различными способами, например, в виде линейчатых решеток и голографическими методами. Они используются во многих приложениях, например:

• решетчатые спектрометры
• большое количество хроматической дисперсии (например, для систем усиления чирпированных импульсов)
• настройка длины волны лазеров
• дифракционные светоделители
• объединение спектральных лучей

Помимо поверхностных решеток существуют также объемные брэгговские решетки, содержащие модуляции показателя преломления в среде.

Подробнее см. статью о дифракционных решетках и объемных решетках Брэгга.

Пластины зоны Френеля

Зональные пластины можно рассматривать как особый вид дифракционных решеток, содержащих круглые структуры вместо прямых линий решетки. Их можно использовать, например, для фокусировки света. Некоторые из них реализованы как микрооптика, как объясняется в следующем параграфе.

Дифракционная микрооптика

Обычно микрооптические дифракционные элементы изготавливаются в виде тонких пластин, накладывающих определенный пространственный рисунок оптических фазовых изменений на падающий световой пучок, которым обычно является лазерный пучок. Одни из них представляют собой бинарные элементы, где по всей поверхности имеют место только две разные фазовые задержки, а другие имеют «аналоговые» фазовые профили, т. е. с (в принципе) произвольными фазовыми вариациями. Хотя профиль высоты обычно имеет строгие ограничения, квазинепрерывные фазовые профили с большими вариациями фазы могут быть реализованы с использованием дискретных шагов высоты, размер которых часто равен длине волны в вакууме, деленной на разность показателей преломления между используемым материалом и окружающей средой.

среда (например, воздух). (Иногда также используются размеры шага, увеличенные на целое число.) Разумеется, этот принцип хорошо работает только с квазимонохроматическим светом.

Существуют микрооптические устройства, конструкция которых позволяет получить определенную дифракционную картину с четко определенным распределением оптических сил в различных точках. Такие устройства могут использоваться как дифракционные светоделители с несколькими (иногда многими) выходами или, наоборот, как объединители лучей , например. для когерентного сложения пучков мощных лазеров. Сгенерированный массив пятен может, например. быть прямоугольной, с исчезающей дифракцией на порядки выше определенного значения. Более сложные структуры могут создавать произвольные схемы освещения при однородном освещении.

Кроме того, существуют дифракционные линзы , выполненные в виде зонных пластин, которые могут хорошо фокусировать лучи, по крайней мере, в некотором узком диапазоне длин волн, при этом занимая гораздо меньше места, чем традиционная линза. Удивительно, но даже возможно изготовить дифракционные ахроматические линзы с вычислительно оптимизированной структурой.

Пластины фазового корректора для коррекции деформации волнового фронта могут быть изготовлены аналогичными средствами. Принцип их работы может включать или не включать дифракцию.

В принципе, микролинзы могут работать по тому же принципу преломления, что и обычные (большие) линзы. Однако дифракционные эффекты легко становятся важными для элементов таких малых размеров, и фактически такие эффекты часто используются в устройствах, содержащих микролинзы. Например, они используются в различных типах дифракционных

гомогенизаторов пучка . Такие устройства могут также содержать псевдослучайные дифракционные рассеиватели , которые также можно рассматривать как голографические рассеиватели.

Технологии изготовления

Разработан широкий спектр технологий изготовления дифракционных оптических элементов. Некоторые из них могут создавать только бинарные структуры, а другие также могут создавать аналоговые профили. Например, существуют технологии лазерного письма с компьютерным управлением, которые позволяют производителям поставлять устройства с индивидуальным дизайном даже при не очень больших объемах производства. В других случаях используются компьютерные голограммы. Кроме того, можно использовать традиционные литографические методы, такие как фотолитография.

Поставщики

В Руководстве покупателя RP Photonics указаны 33 поставщика дифракционной оптики. Среди них:

Holographix

Holographix работает с нашими клиентами над проектированием и производством дифракционных оптических элементов (ДОЭ) по их уникальным спецификациям. Мы проектируем и производим широкий спектр DOE, от базовых моделей до более сложных многоуровневых конструкций.

Франкфуртская лазерная компания

Франкфуртская лазерная компания предлагает различные типы дифракционных оптических элементов, в том числе различные виды светоделителей, формирователей луча (круг, перекрестие, многострочный) и выбор специальных рисунков.

Вопросы и комментарии от пользователей

Здесь вы можете задать вопросы и комментарии. Если они будут приняты автором, они появятся над этим абзацем вместе с ответом автора. Автор принимает решение о принятии на основе определенных критериев. По существу, вопрос должен представлять достаточно широкий интерес.

Пожалуйста, не вводите здесь личные данные; в противном случае мы бы удалили его в ближайшее время. (См. также нашу декларацию о конфиденциальности.) Если вы хотите получить личную обратную связь или консультацию от автора, свяжитесь с ним, например. по электронной почте.

Ваш вопрос или комментарий:

Проверка на спам:

  (Пожалуйста, введите сумму тринадцати и трех в виде цифр!)

Отправляя информацию, вы даете свое согласие на возможную публикацию ваших материалов на нашем веб-сайте в соответствии с нашими правилами. (Если вы позже отзовете свое согласие, мы удалим эти материалы.) Поскольку ваши материалы сначала просматриваются автором, они могут быть опубликованы с некоторой задержкой.

См. также: дифракция, дифракционные решетки, микролинзы, гомогенизаторы пучка, рассеиватели, микрооптика, зональные пластины
и другие товары из категории Общая оптика

Если вы хотите разместить ссылку на эту статью на каком-либо другом ресурсе (например, на своем сайте, в социальных сетях, на дискуссионном форуме, в Википедии), вы можете получить необходимый код здесь.

HTML-ссылка на эту статью:

  
 Статья о дифракционной оптике 
 в  
 Энциклопедия RP Photonics 

С предварительным изображением (см. поле чуть выше):

  
  alt="article"> 

Для Википедии, например. в разделе «==Внешние ссылки==»:

 * [https://www.rp-photonics. com/diffractive_optics.html 
 статья "Дифракционная оптика" в Энциклопедии RP Photonics] 

Преимущества металинз перед дифракционными линзами

Преимущества металинз перед дифракционными линзами

Скачать PDF

Ваша статья скачана

Карусель с тремя слайдами одновременно. Используйте кнопки «Назад» и «Далее» для перехода по трем слайдам за раз или кнопки с точками в конце для перехода по трем слайдам за раз.

Скачать PDF

• Комментарий
• Открытый доступ
• Опубликовано: 24 апреля 2020 г.

• Джейкоб Энгельберг ORCID: orcid. org/0000-0002-7421-914X ¹ и
• Уриэль Леви ORCID: orcid.org/0000-0002-5918-1876 ¹  

Связь с природой том 11 , Номер статьи: 1991 (2020) Процитировать эту статью

• 28 тыс. обращений

• 76 цитирований

• 36 Альтметрический

• Сведения о показателях

Предметы

• Прикладная оптика
• Метаматериалы
• Нанофотоника и плазмоника
• Субволновая оптика

Оптические элементы играют решающую роль во многих современных системах, от мобильных телефонов до ракет. Тенденция к миниатюризации бросает вызов оптике, поскольку классические линзы и зеркала имеют тенденцию быть громоздкими. Одним из способов решения этой проблемы является использование плоской оптики. В течение многих лет плоская оптика реализовывалась с использованием технологии дифракционной оптики, но в последние два десятилетия появилась новая технология, называемая метаповерхностями. Эта технология не заменяет дифракционную оптику, а скорее расширяет ее, используя новую возможность изготовления субволновых элементов на оптических подложках. Для приложений визуализации и фокусировки используются дифракционные линзы и металинзы как подмножество дифракционной оптики и метаповерхностей соответственно. В последнее время ведутся споры о том, предлагают ли металинзы какие-либо реальные преимущества перед дифракционными линзами. В этом комментарии мы попытаемся получить некоторое представление об этих дебатах и ​​представить наше мнение по этому вопросу.

Что такое металинзы?

Термин «метаматериал», относящийся к искусственно созданному трехмерному материалу субволнового уровня с желаемыми эффективными объемными оптическими параметрами, был придуман примерно в 2000 году. Метаповерхности и металинзы были изобретены еще до этого ^1,2,3 , хотя эти термины , которые вытекают из рассмотрения их как метаматериалов с размерностью, уменьшенной до 2D, были введены более десяти лет спустя ⁴ . В последнее время металинзы приобрели популярность, и на эту тему опубликовано множество статей в ведущих журналах.0189 5,6 .

Если взять в качестве примера положительную (фокусирующую) линзу, то дифракционная линза представляет собой оптический элемент, имитирующий плосковыпуклую преломляющую линзу (рис. 1а), но у которой выпуклая поверхность «уплощена» за счет ее разрушения на радиальные зоны (рис. 1б). Наказанием является сильная хроматическая аберрация, т. Е. На длинах волн, отличных от расчетной длины волны, фокус смещается линейно с обратной длиной волны. С точки зрения физической оптики можно сказать, что фазовая задержка в дифракционной линзе вводится по модулю 2π (или кратному ему). Для целей этого комментария мы определяем дифракционную линзу по этой функции наложения фазы, т. Е. Фаза ограничена максимальным значением, что создает квазипериодическую структуру.

Рис. 1: Художественный эскиз типов линз в поперечном сечении.

a Обычная громоздкая преломляющая линза b Дифракционная линза, показывающая уплощение за счет деления на радиальные зоны c Металинса, показывающая наноантенны для управления фазой.

Изображение полного размера

В металинзе, которая представляет собой тип метаповерхности, фаза индуцируется за счет отклика наноструктур (называемых наноантеннами), построенных на поверхности материала подложки (рис. 1с). Это контрастирует с обычной дифракционной линзой (CDL), в которой механизм индукции фазы по-прежнему аналогичен механизму преломляющей линзы, основанный на длине пути луча внутри материала линзы. Для введения фазовой задержки в диэлектрические метаповерхности использовались три основных метода: Усеченный волновод ^3,7 , геометрическая фаза ^8,9,10 , а в последнее время резонансные или наноантенны Гюйгенса ^11,12 (рис.  2).

Рис. 2: Снимки, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ), нескольких форм антенн с металлическими линзами.

a Нано-ребра, используемые для геометрической фазы, воспроизведены с разрешения исх. ⁹ , Copyright 2016 AAAS. ( b ) Наностержни, используемые в качестве усеченных волноводов, воспроизведены с разрешения исх. ⁷ , Springer Nature и c Нанодиски, используемые для металинзы Гюйгенса, воспроизведены с разрешения исх. ¹² , Де Грюйтер. Масштабная линейка 1 мкм.

Увеличенное изображение

Поскольку фаза, индуцируемая наноантеннами, ограничена по величине величиной около 2π, металинза любой значительной оптической силы может рассматриваться как дифракционная линза, так как она также индуцирует фазу по модулю 2π. Обратите внимание, что классическое определение оптической силы линзы обратно пропорционально фокусному расстоянию, но здесь мы предпочитаем относиться к мощности как к числу Френеля линзы, которое представляет собой максимальную индуцированную фазу («развернутого» волнового фронта) в единицы π. Число Френеля дает гораздо более точное представление о том, сколько «работы» выполняет линза, перенаправляя поток света.

Нами установлено, что металинза является разновидностью дифракционной линзы, хотя и нетрадиционной по своей физике накопления фазы. Однако не всякая дифракционная линза является металинзой. Чтобы линза считалась металинзой, она должна иметь субволновую квазипериодическую структуру, в отличие от CDL, основанного на суперволновой квазипериодической структуре.

Рассмотрим более общий случай метаповерхности: что могут метаповерхности, чего не могут обычные дифракционные поверхности? Например, метаповерхности могут манипулировать поляризацией света, а дифракционные поверхности — нет. Метаповерхности также могут демонстрировать резонансное поведение, т. е. их свойства могут сильно зависеть от длины волны. Таким образом, в настоящее время хорошо известно, что метаповерхности обладают уникальными свойствами, которых нельзя достичь с помощью обычных дифракционных поверхностей 9. 0189 13 . Тем не менее, возвращаясь к более конкретному случаю металинзы, обычно манипулируют только фазой света. Поскольку это, по-видимому, одинаково хорошо может быть сделано с помощью дифракционной линзы, преимущество металинзы по сравнению с CDL является предметом споров. Недавно Банерджи и соавт. заняли позицию, согласно которой металинзы способны на все — дифракционные линзы могут работать так же хорошо или даже лучше ¹⁴ . Металенсы заявляют о многочисленных преимуществах по сравнению с CDL. В следующих разделах мы рассмотрим их по отдельности.

Уменьшенная толщина

Возникают вопросы о том, есть ли значительное преимущество у слоя ∼100 нм (характеристика металинзы) по сравнению со слоем ∼1 мкм (характеристика дифракционной линзы), так как они оба построены сверху из гораздо более толстой подложки, обычно толщиной ~1 мм ¹⁴ . Это, безусловно, верно с точки зрения конечного пользователя. С производственной точки зрения более тонкие структуры имеют преимущество, но часто проблема изготовления определяется соотношением сторон (высоты к ширине) структур, которое не обязательно ниже у металинз, чем у CDL.

Двойная структура

Некоторые представители дифракционного сообщества утверждают, что изготовление многоуровневой дифракционной линзы (т. е. профиля поверхности, состоящего из нескольких дискретных высот поверхности) проще, чем бинарной (двухуровневая высота поверхности) металлическая линза, так как размер элемента дифракционной линзы больше ¹⁴ . С другой стороны, сообщество металинз утверждает, что проще изготовить бинарную структуру металинзы, чем многоуровневую дифракционную 9.0189 15 . Нам кажется, что «легкий» и «трудный» в производстве — субъективные термины, зависящие от оборудования и опыта, которыми располагает конкретная исследовательская группа или производственное предприятие. Очевидно, что оба подхода сложны.

Совместимость с КМОП

С точки зрения материалов совместимость с КМОП не является отличительным фактором, поскольку существуют металинзы, несовместимые с КМОП (например, на основе TiO ₂ ), и CDL, которые (например, на основе Si) . Вообще говоря, размеры металинзы (малые поперечные размеры и глубина) более совместимы с производственной линией КМОП, тогда как размеры CDL (большие поперечные размеры и глубина) более совместимы с производственной линией МЭМС. Потенциально, оба могут производиться в больших масштабах и по низкой цене. Совместимость с КМОП важна для любого объектива, который предполагается использовать в процессе производства датчика или другой встроенной системы, изготовленной с использованием технологии КМОП. Тем не менее, с современными достижениями в технологии укладки пластин, пластина линзы может быть уложена на пластину фотодатчика в масштабе 12 дюймов, поэтому преимущество может быть не столь важным.

Высокая числовая апертура

Утверждается, что линзы с высокой числовой апертурой были продемонстрированы более десяти лет назад, и поэтому металинзы не дают в этом отношении никаких преимуществ ¹⁴ . Однако продемонстрированная линза ¹⁶ была бинарной (двухуровневой) дифракционной, и об эффективности линзы не сообщалось (теоретический предел 40,5%). Кроме того, интересно отметить, что изготовление этой линзы было выполнено с использованием процесса, аналогичного процессу, который используется для металинз (осаждение SiN, запись электронного луча и снятие), поэтому этот пример не поддерживает аргумент что CDL могут давать те же характеристики, что и металинзы, при более простом подходе к производству. Более высокая эффективность может быть достигнута при использовании многоуровневого дифракционного элемента с оптимизированным пламенем с использованием строгой теории дифракционных решеток ^17,18 . Однако возникает следующий вопрос: при умеренно высокой числовой апертуре, скажем, равной 0,5, наименьший период дифракционной линзы оказывается равным 2 λ ( λ — центральная рабочая длина волны линзы). При 4-х фазовых уровнях, обеспечивающих КПД ∼70% ¹³ , минимальный размер признака составляет 2 λ /4 =  λ /2 – т. е. субволновый. Итак, это CDL или металинза? Даже если эту линзу по-прежнему определять как CDL (поскольку субволновые характеристики не являются квазипериодическими), нельзя претендовать на преимущество простоты изготовления в результате больших сверхволновых характеристик.

На сегодняшний день имеются демонстрации металинз со значительной оптической силой и числовой апертурой > 0,9 ^7,9,11 с хорошей эффективностью, тогда как эквивалентные CDL экспериментально не продемонстрированы.

Хроматическая коррекция

Хроматическая коррекция дифракционных линз была давно продемонстрирована с использованием многопорядковой дифракционной оптики ¹⁹ . Это было достигнуто с помощью дифракционной линзы, работающей с высоким порядком дифракции м (∼10) вместо обычного первого порядка, что позволяет сфокусировать несколько длин волн в одной плоскости. Платой является глубина зоны, которая составляет м. В раз больше, чем у стандартного дифрактометра первого порядка. Этот метод был расширен с использованием методов численной оптимизации для получения максимальной производительности при минимальном увеличении глубины травления ¹⁴ .

В металинзах было много недавних демонстраций хроматической коррекции. Наиболее распространенным методом являются наноантенны с инженерной дисперсией ²⁰ . Преимущество метода в том, что он обеспечивает коррекцию цвета в непрерывном диапазоне длин волн. Однако этот метод ограничен малыми оптическими мощностями и/или диапазонами длин волн ²⁰ . Другими методами хроматической коррекции, продемонстрированными в металинзах, являются каскадное ²¹ и поперечное мультиплексирование ²² . Эти методы могут обеспечить коррекцию на нескольких дискретных длинах волн, как правило, за счет эффективности.

Поскольку хроматическая коррекция может быть достигнута с помощью дифракционной оптики, можно возразить, что нет смысла исследовать ее в металинзах. Однако механизмы обеспечения хроматической коррекции физически различны. Кроме того, количество степеней свободы, доступных в конструкции металинзы для устранения хроматических аберраций, намного выше, чем в CDL. Поэтому мы считаем, что еще слишком рано говорить о том, что металинзы не могут обеспечить лучшие полихроматические характеристики, чем то, что было достигнуто с помощью CDL.

Что касается хроматической коррекции, мы хотели бы отметить, что методы, используемые как в CDL, так и в металинзах, не являются масштабируемыми, т. Е. Тот факт, что хорошая коррекция была достигнута с помощью небольшой металинзы (например, 10–100   мкм апертура / фокусное расстояние) , не означает, что эту концепцию можно применить к той же металинзе при увеличении (до 1–10  мм апертуры/фокусного расстояния). Все ахроматические металинзы, продемонстрированные на сегодняшний день, имеют небольшие размеры, поэтому в этой области еще есть место для инноваций.

Настраиваемость

В последнее время было много демонстраций настраиваемых метаповерхностей и металинз. В случае с металинзами это важно в основном для настройки фокуса, но, возможно, также имеет значение для создания эффекта масштабирования или исправления аберраций. Некоторые методы настройки, такие как механическое растяжение ²³ , также могут быть применимы к дифракционным линзам. Однако некоторые применимы только к металинзам ²⁴ . По-видимому, в этом отношении металинзы имеют преимущество.

Поляризационная селективность

Поляризационная чувствительность проявляется в основном в металинзах на основе геометрической фазы (где индуцированная фаза определяется ориентацией идентичных в остальном наноструктур) и обычно рассматривается как недостаток, поскольку снижает эффективность для неполяризованного света. Тем не менее, в некоторых случаях его можно использовать для фокусировки света с правой и левой круговой поляризацией в различных латеральных ⁶ или продольных ⁸ положениях. В принципе, с помощью металинз можно разработать различные функциональные возможности, чувствительные к поляризации. Такой степени свободы нет в CDL.

Outlook

Подводя итог, можно сказать, что многие продемонстрированные приложения с металинзами могут быть одинаково хорошо реализованы с помощью CDL. Тем не менее, металинзы уже превзошли CDL в некоторых отношениях (например, высокоэффективные приложения с высокой числовой апертурой ^7,9 ). У металинз больше степеней свободы, чем у CDL, поскольку их наноструктуры имеют неограниченные формы. В CDL еще есть место для инноваций, и исследования металинз не должны затмевать это. Однако кажется неизбежным, что более зрелая область дифракционной оптики, которая уже успешно перенесена в промышленность, отойдет на задний план в академических исследованиях по сравнению с более новой областью метаповерхностей и металинз, которая еще не зарекомендовала себя в этой области. .

Было предложено множество приложений для металинз в области обработки изображений, спектроскопии, маршрутизации цвета/поляризации, настраиваемой фокусировки и дополненной реальности. Могут быть еще неисследованные преимущества с точки зрения применения металинз. Мы считаем, что в конечном итоге металинзы попадут в промышленность, когда соответствующее применение будет соответствовать коммерческим производственным возможностям. Однако мы не думаем, что они заменят дифракционные линзы, поскольку для многих применений CDL достаточно и более рентабельны. На сегодняшний день одним из этапов, которые металинзы должны пройти на пути к коммерциализации, является внедрение передовой инженерной практики, например, использование соответствующих показателей качества, которые позволят сравнивать различные типы линз. Мы пришли к выводу, что важность исследования зависит не от того, какое модное слово используется, а от его вклада в научное понимание и потенциальное промышленное применение.

Ссылки

1. Дэвидсон Н., Фризем А. А. и Хасман Э. Рельефные решетки, сгенерированные компьютером, как пространственно-вариантные поляризационные элементы. Опц. лат. 17 , 1541–1543 (1992).

   Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Google Scholar

2. Richter, I., Sun, P.C., Xu, F. & Fainman, Y. Соображения по проектированию двулучепреломляющих микроструктур. Заяв. Опц. 34 , 2421–2429 (1995).

   Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Google Scholar

3. Лаланн, П., Астилеан, С., Чавель, П., Камбрил, Э. и Лаунуа, Х. Разработка и изготовление блестящих бинарных дифракционных элементов с периодами дискретизации, меньшими структурного порога. J. Опт. соц. Являюсь. А 16 , 1143–1156 (1999).

   Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ Google Scholar

4. Кильдышев А. В., Болтасева А., Шалаев В. М. Планарная фотоника с метаповерхностями. Наука 339 , 1232009 (2013).

   Артикул Google Scholar

5. Лаланн, П. и Шавель, П. Металинзы в видимом диапазоне длин волн: прошлое, настоящее, перспективы. Laser Photonics Rev. 11 , 1600295 (2017 г.).

   Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ Google Scholar

6. «>

   Хорасанинеджад, М. и Капассо, Ф. Металенсес: универсальные многофункциональные фотонные компоненты. Наука 358 , eaam8100 (2017).

   Артикул Google Scholar

7. Арбаби А., Хори Ю., Болл А. Дж., Багери М. и Фараон А. Субволновые линзы с высокой числовой апертурой и высокой эффективностью на основе высококонтрастных передающих матриц. Нац. коммун. 6 , 7069 (2015).

   Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Google Scholar

8. Хасман Э., Кляйнер В., Бинер Г. и Нив А. Фокусирующая линза, зависящая от поляризации, с использованием квантованной фазовой дифракционной оптики Панчаратнама-Берри. Заяв. физ. лат. 82 , 328–330 (2003).

   Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Google Scholar

9. Хорасанинеджад, М. и др. Металинзы в видимом диапазоне длин волн: фокусировка с ограничением дифракции и визуализация с субволновым разрешением. Наука 352 , 1190–1194 (2016).

   Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Google Scholar

10. Леви, У., Цай, К.-Х., Ким, Х.-К. и Файнман, Ю. Дизайн, изготовление и определение характеристик субволновых компьютерных голограмм для генерации точечных массивов. Опц. Экспресс 12 , 5345–5355 (2004 г.).

    Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ Google Scholar

11. Паниагуа-Домингес, Р. и др. Металинза с числовой апертурой, близкой к единице. Нано Летт. 18 , 2124–2132 (2018).

    Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ Google Scholar

12. Engelberg, J. et al. Металлическая линза Huygens с широким полем обзора ближнего ИК-диапазона для съемки вне помещений. Нанофотоника 9 , 361–370 (2020).

    Артикул Google Scholar

13. Нешев Д. и Ааронович И. Оптические метаповерхности: строительные блоки нового поколения для многофункциональной оптики. Легкие науки. заявл. 7 , 58 (2018).

    Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ Google Scholar

14. Банерджи, С. и др. Визуализация с плоской оптикой: металинзы или дифракционные линзы? Optica 6 , 805–810 (2019).

    Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Google Scholar

15. West, P. R. et al. Полностью диэлектрическая субволновая метаповерхностная фокусирующая линза. Опц. Экспресс 22 , 1593–1595 (2014).

    Артикул Google Scholar

16. Чао, Д. и др. Иммерсионная зонно-матричная литография Иммерсионная зонно-матричная литография. Дж. Вак. науч. Технол. B 23 , 2657–2661 (2005).

    Артикул КАС Google Scholar

17. Нопонен Э., Турунен Дж. и Васара А. Параметрическая оптимизация многоуровневых дифракционных оптических элементов с помощью электромагнитной теории. Заяв. Опц. 31 , 5910–12 (1992).

    Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Google Scholar

18. Леви У., Маром Э. и Мендлович Д. Аппроксимация тонких элементов для анализа полых решеток: упрощенная модель и пределы применимости. Опц. коммун. 229 , 11–21 (2004).

    Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Google Scholar

19. Суини, Д. В. и Соммаргрен, Г. Э. Гармонические дифракционные линзы. Заяв. Опц. 34 , 2469–2475 (1995).

    Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Google Scholar

20. Шреста, С., Овервиг, А.С., Лу, М., Штейн, А. и Ю, Н. Широкополосные ахроматические диэлектрические металинзы. Легкие науки. заявл. 7 , 85 (2018).

    Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ Google Scholar

21. Авайю О., Алмейда Э., Прайор Ю. и Элленбоген Т. Композитные функциональные метаповерхности для мультиспектральной ахроматической оптики. Нац. коммун. 8 , 14992 (2017).

    Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Google Scholar

22. Арбаби Э., Арбаби А., Камали С. М., Хори Ю. и Фараон А. Многоволновые поляризационно-нечувствительные линзы на основе диэлектрических метаповерхностей с метамолекулами. Optica 3 , 628–633 (2016).

    Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Google Scholar

23. Ше А., Чжан С., Шиан С., Кларк Д. Р. и Капассо Ф. Адаптивные металинзы с одновременным электрическим управлением фокусным расстоянием, астигматизмом и сдвигом. Науч. Доп. 4 , eaap9957 (2018).

    Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ Google Scholar

24. Айер, П.П., ДеКресент, Р.А., Леви, Т., Антонеллис, Н. и Шуллер, Дж.А. Равномерная термооптическая перестраиваемость диэлектрических металинз. Физ. Преподобный заявл. 10 , 044029 (2018).

    Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Google Scholar

Скачать ссылки

Информация об авторе

Авторы и организации

1. Факультет прикладной физики, Факультет естественных наук, Центр нанонауки и нанотехнологии, Еврейский университет, Иерусалим, 91904, Иерусалим, Израиль. PubMed Google Scholar

2. Uriel Levy

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

Вклады

Авторы в равной степени внесли свой вклад в статью, просматривая соответствующую литературу, обсуждая и формируя мнения на основе опыта в этой области, а также написав рукопись.

Автор, ответственный за переписку

Уриэль Леви.

Заявление об этике

Конкурирующие интересы

Авторы не заявляют об отсутствии конкурирующих интересов.

Дополнительная информация

Примечание издателя Springer Nature остается нейтральной в отношении юрисдикционных претензий в опубликованных картах и ​​институциональной принадлежности.

Права и разрешения

Открытый доступ Эта статья находится под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 International License, которая разрешает использование, совместное использование, адаптацию, распространение и воспроизведение на любом носителе или в любом формате при условии, что вы укажете соответствующую ссылку на оригинальный автор(ы) и источник, предоставьте ссылку на лицензию Creative Commons и укажите, были ли внесены изменения.