Вышедшие номера
Полусферическая рутиловая линза для ТГц микроскопии на основе эффекта твердотельной иммерсии со cверхразрешением
Russian Science Foundation , 22-79-10099
Желнов В.А. 1, Черномырдин Н.В. 1, Спектор И.Е. 1, Каралкин П.А.2, Пономарев Д.С. 3, Курлов В.Н. 4, Зайцев К.И. 1
1Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, Москва, Россия
2Институт регенеративной медицины, Сеченовский университет, Москва, Россия
3Институт сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники имени В.Г. Мокерова РАН, Москва, Россия
4Институт физики твердого тела им. Ю.А. Осипьяна РАН, Черноголовка, Россия
Email: vleder.zel@mail.ru, chernik-a@yandex.ru
Поступила в редакцию: 9 января 2024 г.
В окончательной редакции: 23 января 2024 г.
Принята к печати: 5 марта 2024 г.
Выставление онлайн: 18 июня 2024 г.

Микроскопия на основе эффекта твердотельной иммерсии - это метод ближнепольной визуализации, который позволяет преодолеть дифракционный предел Аббе за счет фокусировки светового пучка на малом расстоянии за линзой с высоким показателем преломления. Он обеспечивает высокую энергетическую эффективность благодаря отсутствию каких-либо субволновых зондов или диафрагм в оптическом тракте. Выгодное сочетание сверхразрешения и высокой энергетической эффективности открывает широкие возможности применения данного метода в различных областях науки и техники. Пространственное разрешение микроскопии на основе эффекта твердотельной иммерсии в основном ограничено значением показателя преломления линзы, при этом более оптически плотные линзы обеспечивают более высокое разрешение. В настоящей работе объемный кристалл рутила (TiO2) впервые используется в качестве материала для иммерсионной линзы, которая обеспечивает впечатляющий показатель преломления ~10 в терагерцовом диапазоне. Это самое высокое значение показателя преломления, когда-либо использовавшееся в микроскопии на основе эффекта твердотельной иммерсии. Для создания микроскопа использовались лавинно-пролетный диод в качестве источника непрерывного излучения на частоте 0.2 THz (длина волны λ=1.5 mm) и детектор Голея. Экспериментальные исследования показали, что пространственное разрешение разработанного микроскопа находится в пределах 0.06-0.11λ. Это самое высокое разрешение, когда-либо зарегистрированное для любой оптической системы на основе эффекта твердотельной иммерсии. Ключевые слова: терагерцовые технологии, терагерцовые оптические материалы, рутил, высокий показатель преломления, ближнепольная микроскопия, микроскопия на основе эффекта твердотельной иммерсии, сверхразрешение.
  1. S. Mansfield, G. Kino. Appl. Phys. Lett., 57 (24), 2615 (1990). DOI: 10.1063/1.103828
  2. N. Chernomyrdin, M. Skorobogatiy, D. Ponomarev, V. Bukin, V. Tuchin, K. Zaytsev. Appl. Phys. Lett., 120 (11), 110501 (2022). DOI: 10.1063/5.0085906
  3. N. Chernomyrdin, V. Zhelnov, A. Kucheryavenko, I. Dolganova, G. Katyba, V. Karasik, I. Reshetov, K. Zaytsev. Optical Engineering, 59 (6), 061605 (2019). DOI: 10.1117/1.OE.59.6.061605
  4. D. Fletcher, K. Crozier, C. Quate, G. Kino, K. Goodson, D. Simanovskii, D. Palanker. Appl. Phys. Lett., 77 (14), 2109 (2000). DOI: 10.1063/1.1313368
  5. R. Brunner, M. Burkhardt, A. Pesch, O. Sandfuchs, M. Ferstl, S. Hohng, J. White. J. Optical Society of America A, 21 (7), 1186 (2004). DOI: 10.1364/JOSAA.21.001186
  6. I. Golub. Opt. Lett., 32 (15), 2161 (2007). DOI: 10.1364/OL.32.002161
  7. M.-S. Kim, T. Scharf, M. Haq, W. Nakagawa, H. Herzig. Opt. Lett., 36 (19), 3930 (2011). DOI: 10.1364/OL.36.003930
  8. D. Kang, C. Pang, S.M. Kim, H.S. Cho, H.S. Um, Y.W. Choi, K. Suh. Advanced Materials, 24 (13), 1709 (2012). DOI: 10.1002/adma.201104507
  9. R. Grote, S. Mann, D. Hopper, A. Exarhos, G. Lopez, G. Kaighn, E. Garnett, L. Bas-sett. Nature Commun., 10, 2392 (2019). DOI: 10.1038/s41467-019-10238-5
  10. W. Fan, B. Yan, Z. Wang, L. Wu. Science Advances, 2 (8), e1600901 (2016). DOI: 10.1126/sciadv.1600901
  11. S. Ippolito, S. Thorne, M. Eraslan, B. Goldberg, M. Unlu, Y. Leblebici. Appl. Phys. Lett., 84 (22), 4529 (2004). DOI: 10.1063/1.1758308
  12. G. Lerman, A. Israel, A. Lewis. Appl. Phys. Lett., 89 (22), 223122 (2006). DOI: 10.1063/1.2398888
  13. Q. Wu, R. Grober, D. Gammon, D. Katzer. Phys. Rev. Lett., 83 (13), 2652 (1999). DOI: 10.1103/PhysRevLett.83.2652
  14. Z. Liu, B. Goldberg, S. Ippolito, A. Vamivakas, M. Unlu, R. Mirin. Appl. Phys. Lett., 87 (7), 071905 (2005). DOI: 10.1063/1.2012532
  15. R. Hadfield, P. Dalgarno, J. O'Connor, E. Ramsay, R. Warburton, E. Gansen, B. Baek, M. Stevens, R. Mirin, S. Nam. Appl. Phys. Lett., 91 (24), 241108 (2007). DOI: 10.1063/1.2824384
  16. A. Bogucki, L. Zinkiewicz, M. Grzeszczyk, W. Pacuski, K. Nogajewski, T. Kazimierczuk, A. Rodek, J. Suffczy'nski, K. Watanabe, T. Taniguchi, P. Wasylczyk, M. Potemski, P. Kossacki. Light: Science \& Applications, 9, 48 (2020). DOI: 10.1038/s41377-020-0284-1
  17. T. Schroder, F. Gadeke, M. Banholzer, O. Benson. New J. Physics, 13 (5), 055017 (2011). DOI: 10.1088/1367-2630/13/5/055017
  18. V. Devaraj, J. Baek, Y. Jang, H. Jeong, D. Lee. Opt. Express, 24 (8), 8045 (2016). DOI: 10.1364/OE.24.008045
  19. B. Terris, H. Mamin, D. Rugar, W. Studenmund, G. Kino. Appl. Phys. Lett., 65 (4), 388 (1994). DOI: 10.1063/1.112341
  20. S. Ippolito, P. Song, D. Miles, J. Sylvestri. Appl. Phys. Lett., 92 (10), 101109 (2008). DOI: 10.1063/1.2892656
  21. L. Wang, B. Bateman, L. Zanetti-Domingues, A. Moores, S. Astbury, C. Spindloe, M. Darrow, M. Romano, S. Needham, K. Beis, D. Rolfe, D. Clarke, M. Martin-Fernandez. Commun. Biology, 2, 74 (2019). DOI: 10.1038/s42003-019-0317-6
  22. A. Pimenov, A. Loidl. Appl. Phys. Lett., 83 (20), 4122 (2003). DOI: 10.1063/1.1627474
  23. B. Gompf, M. Gerull, T. Muller, M. Dressel. Infrared Physics \& Technology, 49 (1), 128 (2006). DOI: 10.1016/j.infrared.2006.01.021
  24. N. Chernomyrdin, A. Schadko, S. Lebedev, V. Tolstoguzov, V. Kurlov, I. Reshetov, I. Spektor, M. Skorobogatiy, S. Yurchenko, K. Zaytsev. Appl. Phys. Lett., 110 (22), 221109 (2017). DOI: 10.1063/1.4984952
  25. N. Chernomyrdin, A. Kucheryavenko, G. Kolontaeva, G. Katyba, I. Dolganova, P. Karalkin, D. Ponomarev, V. Kurlov, I. Reshetov, M. Skorobogatiy, V. Tuchin, K. Zaytsev. Appl. Phys. Lett., 113 (11), 111102 (2018). DOI: 10.1063/1.5045480
  26. N. Chernomyrdin, M. Frolov, S.P. Lebedev, I.V. Reshetov, I.E. Spektor, V.L. Tolstoguzov, V.E. Karasik, A.M. Khorokhorov, K.I. Koshelev, A.O. Schadko, S.O. Yurchenko, K.I. Zaytsev. Rev. Sci. Instruments, 88 (1), 014703 (2017). DOI: 10.1063/1.4973764
  27. D. Grischkowsky, S. Keiding, M. van Exter, C. Fattinger. J. Optical Society of America B, 7 (10), 2006 (1990). DOI: 10.1364/JOSAB.7.002006
  28. V. Zhelnov, K. Zaytsev, A. Kucheryavenko, G. Katyba, I. Dolganova, D. Ponomarev, V. Kurlov, M. Skorobogatiy, N. Chernomyrdin. Opt. Express, 29 (3), 3553 (2021). DOI: 10.1364/OE.415049
  29. N. Chernomyrdin, M. Skorobogatiy, A. Gavdush, G. Musina, G. Katyba, G. Komandin, A. Khorokhorov, I. Spektor, V. Tuchin, K. Zaytsev. Optica, 8 (11), 1471 (2021). DOI: 10.1364/OPTICA.439286
  30. A. Kucheryavenko, N. Chernomyrdin, A. Gavdush, A. Alekseeva, P. Nikitin, I. Dolganova, P. Karalkin, A. Khalansky, I. Spektor, M. Skorobogatiy, V. Tuchin, K. Zaytsev. Biomed. Opt. Express, 12 (8), 5272 (2021). DOI: 10.1364/BOE.432758
  31. N. Chernomyrdin, G. Musina, P. Nikitin, I. Dolganova, A. Kucheryavenko, A. Alekseeva, Y. Wang, D. Xu, Q. Shi, V. Tuchin, K. Zaytsev. Opto-Electronic Advances, 6 (4), 220071 (2023). DOI: 10.29026/oea.2023.220071
  32. G.R. Musina, N.V. Chernomyrdin, E.R. Gafarova, A.A. Gavdush, A.J. Shpichka, G.A. Komandin, V.B. Anzin, E.A. Grebenik, M.V. Kravchik, E.V. Istranova, I.N. Dolganova, K.I. Zaytsev, P.S. Timashev. Biomed. Opt. Express, 12 (9), 5368 (2021). DOI: 10.1364/BOE.433216
  33. Q. Chapdelaine, K. Nallappan, Y. Cao, H. Guerboukha, N. Chernomyrdin, K. Zaytsev, M. Skorobogatiy. Optical Materials Express, 12 (8), 3015 (2022). DOI: 10.1364/OME.461756
  34. H. Guerboukha, K. Nallappan, M. Skorobogatiy. Advances in Optics \& Photonics, 10 (4), 843 (2018). DOI: 10.1364/AOP.10.000843
  35. F. Gervais, B. Piriou. Phys. Rev. B, 10 (4), 1642 (1974). DOI: 10.1103/PhysRevB.10.1642
  36. G. Komandin, V. Anzin, V. Ulitko, A. Gavdush, A. Mukhin, Y. Goncharov, O. Porodinkov, I. Spektor. Opt. Engineering, 59 (6),  061 (2019). DOI: 10.1117/1.OE.59.6.061603
  37. D. Lavrukhin, A. Yachmenev, A. Pavlov, R. Khabibullin, Y. Goncharov, I. Spektor, G. Komandin, S. Yurchenko, N. Chernomyrdin, K. Zaytsev, D. Ponomarev. Semiconductor Science \& Technology, 34 (3), 034005 (2019). DOI: 10.1088/1361-6641/aaff31
  38. G. Musina, I. Dolganova, N. Chernomyrdin, A. Gavdush, V. Ulitko, O. Cherkasova, D. Tuchina, P. Nikitin, A. Alekseeva, N. Bal, G. Komandin, V. Kurlov, V. Tuchin, K. Zaytsev. J. Biophotonics, 13 (12), e20200029 (2020). DOI: 10.1002/jbio.202000297
  39. I. Pupeza, R. Wilk, M. Koch. Opt. Express, 15 (7), 4335 (2007). DOI: 10.1364/OE.15.004335
  40. K. Zaytsev, A. Gavdush, V. Karasik, V. Alekhnovich, P. Nosov, V. Lazarev, I. Reshetov, S. Yurchenko. J. Appl. Phys., 115 (19), 193105 (2014). DOI: 10.1063/1.4876324
  41. A. Shchepetilnikov, A. Zarezin, V. Muravev, P. Gusikhin, I. Kukushkin. Opt. Engineering, 59 (6), 061617 (2020). DOI: 10.1117/1.OE.59.6.061617
  42. C. Shannon. Proc. IRE, 37 (1), 10 (1949). DOI: 10.1109/JRPROC.1949.232969
  43. V. Tuchin. Tissue Optics: Light Scattering Methods and Instruments for Medical Diagnostics, Third Edition (SPIE Press, USA, 2015). DOI: 10.1117/3.1003040
  44. L. Oliveira, K. Zaytsev, V. Tuchin. Proc. SPIE, 11585, 1158503 (2020). DOI: 10.1117/12.2584999
  45. I. Martins, H. Silva, E. Lazareva, N. Chernomyrdin, K. Zaytsev, L. Oliveira, V. Tuchin. Biomed. Opt. Express, 14 (1), 249 (2023). DOI: 10.1364/BOE.479320
  46. G. Musina, A. Gavdush, N. Chernomyrdin, I. Dolganova, V. Ulitko, O. Cherkasova, V. Kurlov, G. Komandin, I. Zhivotovskii, V. Tuchin, K. Zaytsev. Opt. Spectrosc., 128, 1026 (2020). DOI: 10.1134/S0030400X20070279
  47. V.A. Zhelnov, N.V. Chernomyrdin, G.M. Katyba, A.A. Gavdush, V.V. Bukin, S.V. Garnov, I.E. Spektor, V.N. Kurlov, M. Skorobogatiy, K.I. Zaytsev. Adv. Optical Mater., 2300927 (2023). DOI: 10.1002/adom.202300927
  48. B. Gompf, M. Gerull, T. Muller, M. Dressel. Infrared Physics and Technology, 49 (1), 128 (2006). DOI: 10.1016/j.infrared.2006.01.021
  49. B. Terris, H. Mamin, D. Rugar. Appl. Phys. Lett., 68 (2), 141 (1996). DOI: 10.1063/1.116127
  50. B. Terris, H. Mamin, D. Rugar, W. Studenmund, G. Kino. Appl. Phys. Lett., 65 (4), 388 (1994). DOI: 10.1063/1.112341
  51. G. Tessier, M. Bardoux, C. Bouue, C. Filloy, D. Fournier. Appl. Phys. Lett., 90 (17), 171112 (2007). DOI: 10.1063/1.2732179
  52. N. Chernomyrdin, A. Schadko, S. Lebedev, V. Tolstoguzov, V. Kurlov, I. Reshetov, I. Spektor, M. Skorobogatiy, S. Yurchenko, K. Zaytsev. Appl. Phys. Lett., 110 (22), 221109 (2017). DOI: 10.1063/1.4984952
  53. D. Fletcher. Microscale Thermophysical Engineering, 7 (4), 267 (2003). DOI: 10.1080/10893950390245985
  54. Q. Wu, R. Grober, D. Gammon, D. Katzer. Phys. Rev. Lett., 83 (13), 2652 (1999). DOI: 10.1103/PhysRevLett.83.2652
  55. S. Bishop, J. Hadden, R. Hekmati. Appl. Phys. Lett., 120 (11), 114001 (2022). DOI: 10.1063/5.0085257
  56. A. Pimenov, A. Loidl. Appl. Phys. Lett., 83 (20), 4122 (2003). DOI: 10.1063/1.1627474
  57. S. Ippolito, S. Thorne, M. Eraslan, B. Goldberg, M. Unlu, Y. Leblebici. Appl. Phys. Lett., 84 (22), 4529 (2004). DOI: 10.1063/1.1758308
  58. K. Karrai, X. Lorenz, L. Novotny. Appl. Phys. Lett., 77 (21) 3459 (2000). DOI: 10.1063/1.1326839
  59. D. Fletcher, K. Crozier, C. Quate, G. Kino, K. Goodson, D. Simanovskii, D. Palanker. Appl. Phys. Lett., 78 (23) 3589 (2001). DOI: 10.1063/1.1377318
  60. E. Ramsay, N. Pleynet, D. Xiao, R. Warburton, D. Reid. Opt. Lett., 30 (1), 26 (2005). DOI: 10.1364/OL.30.000026
  61. D. Fletcher, K. Crozier, C. Quate, G. Kino, K. Goodson, D. Simanovskii, D. Palanker. Appl. Phys. Lett., 77 (14), 2109 (2000). DOI: 10.1063/1.1313368
  62. F.H. Koklu, J.I. Quesnel, A.N. Vamivakas, S.B. Ippolito, B.B. Goldberg, M.S. Unlu. Opt. Express, 16, 13 950 (2008). DOI: 10.1364/OE.16.009501
  63. G. Katyba, N. Raginov, E. Khabushev, V. Zhelnov, A. Gorodetsky, D. Ghazaryan, M. Mironov, D. Krasnikov, Y. Gladush, J. Lloyd-Hughes, A. Nasibulin, A. Arsenin, V. Volkov, K. Zaytsev, M. Burdanova. Optica, 10 (1), 53 (2023). DOI: 10.1364/OPTICA.475385
  64. Z. Yan, L.-G. Zhu, K. Meng, W. Huang, Q. Shi. Trends in Biotechnology, 40 (7), 816 (2022). DOI: 10.1016/j.tibtech.2021.12.002
  65. C.D. Stoik, M.J. Bohn, J.L. Blackshire. Opt. Express, 16 (21), 17039 (2008). DOI: 10.1364/OE.16.017039
  66. J. True, C. Xi, N. Jessurun, K. Ahi, N. Asadizanjani. Opt. Engineering, 60 (6), 060901 (2021). DOI: 10.1117/1.OE.60.6.060901
  67. J.A. Zeitler, P.F. Taday, D.A. Newnham, M. Pepper, K.C. Gordon, T. Rades. J. Pharmacy and Pharmacology, 59 (2), 209 (2010). DOI: 10.1211/jpp.59.2.0008
  68. A. Ren, A. Zahid, D. Fan, X. Yang, M.A. Imran, A. Alomainy, Q.H. Abbasi. Trends in Food Science \& Technology, 85, 241 (2019). DOI: 10.1016/j.tifs.2019.01.019
  69. A. Kucheryavenko, V. Zhelnov, D. Melikyants, N. Chernomyrdin, S. Lebedev, V. Bukin, S. Garnov, V. Kurlov, K. Zaytsev, G. Katyba. Opt. Express, 31 (8), 13366 (2023). DOI: 10.1364/OE.484650