Физики создали плоское диэлектрическое зеркало, которое способно фокусировать свет в отраженном пучке. Его принцип работы основан на эффекте фотонной струи, согласно которому микрочастицы в материале могут выполнять функцию линз, фокусируя излучение в субволновом диапазоне.

Результаты работы, опубликованные в журнале Scientific Reports, помогут создать приборы для оптической визуализации с более высоким разрешением изображения.

Обычные сферические зеркала преломляют свет благодаря своей изогнутой форме. Лучи света в таких зеркалах проходят различный путь в зависимости от места падения, из-за чего на выходе они теряют параллельность и собираются в фокусе. У плоских зеркал лучи в фокусе не собираются, а сохраняют параллельность на выходе из-за отсутствия искривления поверхности. Отраженные от таких зеркал лучи, шедшие до этого параллельно друг другу, не собираются в одной точке.

Не так давно исследователям удалось создать плоские зеркала, которые имеют фокус. Они представляют собой слоистую структуру из диэлектрических материалов или комплекс метал-изолятор-метал и способны фокусировать свет при определенном угле падения вблизи поверхности линзы.

Физики под руководством Олега Минина (Oleg V. Minin) из Томского государственного университета разработали плоское зеркало, работающее по совершенно другому принципу. Принцип его работы основан на эффекте фотонной струи, который заключается в фокусировке отдельными диэлектрическими частицами падающего света. Каждая такая микрочастица по-своему преломляет попадающий на нее свет и собирает его в своем фокусе на небольшом расстоянии от поверхности. В зависимости от формы частицы будет отличаться и вид фотонной струи — потока излучения, который образуется на теневой стороне частицы после преломления падающего на нее света.

Изображения отраженных от зеркала пучков излучения. (a), (b), © — для диэлектрического зеркала и углов падения соответственно 45°, 60° и 75°; (d) — для кремниевой подложки под углом падения 45°. / Igor V. Minin et. al. / Scientific Reports 2020

Созданное учеными зеркало представляет собой слой полидиметилсилоксана — органического полимера, содержащего атомы кремния и кислорода — на кремниевой подложке. Молекулы внутри этого материала собираются в микрочастицы различной формы, граничащие друг с другом. Изготовленное исследователями зеркало имеет форму квадрата размером 10×10 микрометров толщиной всего один микрометр. Его поместили на кремниевую подложку, после чего освещали излучением с тремя длинами волн из разных частей видимого спектра под углами от 30 до 75 градусов.

В результате авторы выяснили ключевые особенности фотонной струи нового фокусирующего плоского зеркала. В частности, они установили точку ее максимальной интенсивности. Ученые также показали, что с увеличением угла освещения интенсивность излучения в фокусе отраженного пучка уменьшается. При этом падают и линейные параметры пучка.

Из-за того, что фокусные расстояния нового материала находятся в микрометровом диапазоне, авторы предлагают использовать его для создания небольших фотонных устройств, в которых свет распространяется между элементами без дифракции. Также такое фокусирующее плоское зеркало найдет применение в приборах для оптической визуализации, где позволит существенно повысить получаемое при съемке разрешение.