Ученые из Института Макса Борна (MBI) разработали первую рефракционную линзу, которая фокусирует экстремальные ультрафиолетовые лучи. Вместо использования стеклянной линзы, которая непрозрачна в ультра-ультрафиолетовой области, исследователи продемонстрировали линзу, образованную струей атомов. Результаты, которые предоставляют новые возможности для визуализации биологических образцов в кратчайшие сроки, были опубликованы в Nature.

На фото: Фокусировка пучка XUV струей атомов, которая используется в качестве линзы. Фото: MBI Berlin

Ствол дерева, частично погруженный в воду, кажется изогнутым. В течение сотен лет люди знали, что это вызвано преломлением, то есть свет меняет свое направление при путешествии из одной среды (воды) в другую (воздух) под углом. Рефракция также является основным физическим принципом, лежащим в основе линз, которые играют незаменимую роль в повседневной жизни: они являются частью человеческого глаза, они используются в качестве очков, контактных линз, в качестве объективов камеры и для управления лазерными лучами.

После открытия новых областей электромагнитного спектра, таких как ультрафиолетовое (УФ) и рентгеновское излучение, были разработаны рефракционные линзы, которые специально адаптированы к этим спектральным областям. Электромагнитное излучение в экстремальной ультрафиолетовой (XUV) области, однако, несколько особенное. Он занимает диапазон длин волн между УФ- и рентгеновским доменами, но в отличие от двух последних типов излучения, он может перемещаться только в вакууме или сильно разреженных газах. В настоящее время XUV-лучи широко используются в полупроводниковой литографии, а также в фундаментальных исследованиях для понимания и контроля структуры и динамики вещества. Они позволяют генерировать самые короткие антропогенные световые импульсы длительностью в аттосекунды (аттосекунда составляет одну миллиардную часть одной миллиардной доли секунды). Тем не мение, Несмотря на большое количество источников и приложений XUV, объективов XUV до сих пор не существовало. Причина в том, что XUV-излучение сильно поглощается любым твердым или жидким материалом и просто не может проходить через обычные линзы.

Невидимая радуга, генерируемая струей атомов гелия

Невидимая радуга, генерируемая струей атомов гелия. Свет с «цветами», близкими к резонансам гелия, отклоняется вверх или вниз. Фото: MBI Berlin

Чтобы сфокусировать пучки XUV, команда исследователей MBI избрала другой подход: они заменили стеклянную линзу линзой, образованной струей атомов благородного газа, гелия. Эта линза обладает высокой пропускной способностью гелия в спектральном диапазоне XUV, и в то же время ее можно точно контролировать, изменяя плотность газа в струе. Это важно для того, чтобы настроить фокусное расстояние и минимизировать размеры пятна сфокусированных лучей XUV.

По сравнению с изогнутыми зеркалами, которые часто используются для фокусировки XUV-излучения, эти газообразные преломляющие линзы имеют ряд преимуществ: «новая» линза постоянно генерируется потоком атомов в струе, а это означает, что проблем с повреждениями избежать. Кроме того, газовая линза практически не приводит к потере XUV-излучения по сравнению с обычным зеркалом. «Это серьезное улучшение, потому что генерация пучков XUV сложна и часто очень дорога», — объясняет доктор Бернд Шютт, ученый MBI и соответствующий автор публикации.

В работе исследователи также продемонстрировали, что атомная струя может действовать как призма, разбивая XUV-излучение на составляющие его спектральные компоненты. Это можно сравнить с наблюдением за радугой, возникающей в результате разбивания солнечного света на его спектральные цвета каплями воды, за исключением того, что «цвета» XUV-света не видны человеческому глазу.

Развитие газофазных линз и призм в области XUV позволяет перенести оптические методы, основанные на преломлении и широко используемые в видимой и инфракрасной части электромагнитного спектра, в область XUV. Газовые линзы могут, например, использоваться для создания микроскопа XUV или для фокусировки пучков XUV до нанометровых размеров пятен. Это может быть применено в будущем, например, для наблюдения структурных изменений биомолекул в кратчайшие сроки.

По материалам phys.org