Ближнепольные сверхлинзы представляют собой оптические устройства, основанные на принципах метаматериалов с отрицательным показателем преломления. Их ключевая особенность заключается в способности восстанавливать не только распространяющиеся компоненты электромагнитного поля, но и затухающие (эванесцентные) волны, которые содержат информацию о мелкомасштабной структуре объекта. Именно эти волны несут сведения о деталях, размеры которых меньше дифракционного предела, и обычно теряются при традиционной оптической визуализации.
Создание ближнепольных сверхлинз стало возможным благодаря контролю над эффективными параметрами среды — диэлектрической проницаемостью ε и магнитной проницаемостью μ. При условии, что ε и μ принимают отрицательные значения на определённых частотах, метаматериал ведёт себя как среда с отрицательным показателем преломления, что и лежит в основе сверхразрешающей способности линзы.
В классической оптике разрешение линзы ограничено дифракцией и определяется критерием Релея. При наблюдении объекта волновые компоненты с высоким пространственным частотным спектром быстро затухают в воздухе или другом прозрачном материале, поэтому стандартные линзы не могут их восстановить.
Ближнепольная сверхлинза изготавливается из тонкой пластины метаматериала с отрицательными значениями ε и/или μ. При попадании на такую пластину эванесцентные волны усиливаются за счёт резонансных эффектов внутри метаструктуры. В результате изображение на выходной поверхности сохраняет субволновые детали, которые были бы утрачены при обычной фокусировке.
Ключевой механизм — поверхностные плазмонные резонансы, возникающие на границе металл–диэлектрик или внутри композитных наноструктур. Эти резонансы позволяют восстанавливать амплитуду затухающих волн, тем самым обходя дифракционный предел.
Металлические плёнки Первые реализации ближнепольных сверхлинз основывались на тонких слоях серебра, работающих в видимом диапазоне. Серебро обладает отрицательной действительной частью диэлектрической проницаемости в оптическом диапазоне, что делает его подходящим кандидатом для усиления эванесцентных волн.
Композитные метаматериалы Современные сверхлинзы используют многослойные структуры, чередующие металлические и диэлектрические слои нанометровой толщины. Такие гиперболические метаматериалы обеспечивают широкий спектр поддерживаемых пространственных частот и улучшают качество изображения.
Двумерные метаповерхности Развитие технологий нанофабрикации привело к созданию метаповерхностей — тончайших структурированных покрытий, способных управлять фазой и амплитудой световых волн. На основе метаповерхностей разрабатываются компактные сверхлинзы с заданными оптическими характеристиками.
Полимерные и гибридные материалы Для уменьшения потерь и расширения рабочих диапазонов применяются композиты на основе органических полимеров, легированных наночастицами металлов или диэлектриков с высокой ε.
Несмотря на значительный прогресс, ближнепольные сверхлинзы сталкиваются с рядом фундаментальных и технических ограничений:
Нанолитография Использование ближнепольных сверхлинз позволяет формировать рисунки с разрешением значительно меньше длины волны излучения, что особенно важно для микроэлектроники.
Биомедицинская визуализация Сверхлинзы позволяют получать изображения биологических образцов с нанометровым разрешением без использования флуоресцентных красителей.
Оптические сенсоры Высокая чувствительность к локальным изменениям среды делает сверхлинзы перспективными для разработки сенсоров на основе плазмонных резонансов.
Нанофотоника и связь В интегральной оптике сверхлинзы могут использоваться для управления светом на масштабах, сопоставимых с размерами наноструктур, обеспечивая миниатюризацию фотонных устройств.