Сверхразрешение на фазовом изображении π-фазовой ступеньки на плазмонной метаповерхности с использованием дифференциального гетеродинного микроскопа

Сверхразрешение на фазовом изображении π-фазовой ступеньки на плазмонной метаповерхности с использованием дифференциального гетеродинного микроскопа

Пресс-релиз публикации: I. M. Akhmedzhanov, D. V. Baranov, B. A. Usievich. Superresolution in phase image of π-phase step on plasmonic metasurface using differential heterodyne microscope. Opt. Eng. – 2023. – 62(8). – 084102, DOI: 10.1117/1.OE.62.8.084102

Пресс-релиз в формате PDF

В настоящей работе для исследования оптических свойств плазмонной метаповерхности применялся сканирующий дифференциальный гетеродинный микроскоп (СДГМ), что дает возможность получения амплитудно-фазового профиля исследуемого объекта. Основным результатом работы является экспериментальная демонстрация эффекта сверхразрешения на фазовом отклике СДГМ для одиночного фазового объекта ступенчатого типа с фазовым перепадом ~180°, сформированного на основе плазмонной метаповерхности, а также демонстрация возможности управления шириной фазового отклика на подобный объект с помощью изменения гетеродинной частоты микроскопа.

Проведенное исследование показало, что характерная ширина фазового отклика может быть существенно меньше характерной ширины амплитудного отклика. Так как ширина амплитудного отклика СДГМ является дифракционно-ограниченной, данный эффект интерпретируется как сверхразрешение. Количественно эффект сверхразрешения характеризуется коэффициентом сверхразрешения, равным отношению ширины амплитудного и фазового отклика. Измерения проводились на длине волны 633 нм. Минимальная зарегистрированная ширина фазового отклика СДГМ составила 0.2 мкм, а минимальная ширина амплитудного отклика – 1.3 мкм (рис. 1). Коэффициент сверхразрешения при этом составил 6.5.

Исследуемый образец представлял собой композитную бинарную решеточную структуру, сформированную на основе плазмонной метаповерхности типа металл-диэлектрик-металл и диэлектрической пленки. Плазмонная метаповерхность, в данном случае, это периодическая (450 нм) двумерная матрица оптических плазмонных микрорезонаторов щелевого типа (металл-диэлектрик-металл) с металлическими (Au) наноэлементами 150х300х50 нм.

Научная новизна работы состоит в том, что исследованный эффект сверхразрешения на фазовом отклике СДГМ был впервые продемонстрирован для композитного объекта, на котором скачок фазы 180° формировался с использованием плазмонного метаматериала, а также в демонстрации возможности управления шириной фазового отклика путем изменения гетеродинной частоты микроскопа.

Значимость исследования состоит в том, что эффект сверхразрешения в данной оптической схеме проявляется напрямую, то есть какая-либо дополнительная обработка фазового отклика СДГМ не требуется, в отличие от других многочисленных методов достижения сверхразрешения в оптике. В прикладном аспекте продемонстрированный эффект сверхразрешения может найти применение как один из возможных подходов к созданию реперных меток в системах прецизионного позиционирования в оптической литографии.

Результаты исследования опубликованы в статье: Akhmedzhanov I.M., Baranov D.V., Usievich B.A. Superresolution in phase image of π-phase step on plasmonic metasurface using differential heterodyne microscope. Opt. Eng. – 2023. – 62(8). – 084102, DOI: 10.1117/1.OE.62.8.084102.

Пресс-релиз подготовил: Ахмеджанов И. М., вед. науч. сотр., к.ф.-м.н., отдел колебаний ИОФ РАН.

Рис. 1. Фазовый (а, в) и амплитудный (б, г) отклик СДГМ на первую полоску бинарной решетки при интервале между зондирующими пучками 0.2 мкм (а, б) и 1.5 мкм (в, г). Восстановленный фазовый профиль полоски показан пунктирной линией на диаграмме (в). Публикуется с разрешения авторов.