氣體可以當作透鏡使用嗎?

■透鏡是光學最基本的元件之一,它能讓光線聚焦或發散,也能讓物體成像放大或縮小。要對越小的物體成像,必須使用波長越短的光線。在許多應用中,只有極端紫外光(波長在100奈米以下)才能滿足成像的需求。但是短波長的光線非常容易被物體吸收,所以大部分的透鏡對極端紫外光來說都是不透明的。德國科學家使用氣體透鏡解決這個問題。這個氣體透鏡的吸收率只有5%,能調控光線折射的角度和光束聚焦的程度,並且能同時當作凹透鏡和凸透鏡使用。

透鏡是光學的基本的元件。

撰文|陳奕廷

光學元件的選擇

由於極端紫外光容易被吸收,透鏡必須非常薄才能有足夠的透射光。除了製造困難之外,薄透鏡容易過熱甚至融化,所以一般認為固態透鏡不適合極端紫外光。常見的解決之道是多層薄膜做成的固態反射鏡。由於光線是透過反射來聚焦,鏡面本身不吸收太多的光線,所以過熱的問題比較小。但是反射鏡聚焦光線的時改變了光線行進的方向,使得光學設計上不太直覺。此外,反射鏡的材料選擇和製造也挺困難的。德國科學家提出一個嶄新的想法:完全拋棄固態鏡面的傳統光學思維,使用氣體當作透鏡。

圖一、幾種的極端紫外光光學元件的選擇。

氣體透鏡的原理

光在真空走得快,在固體中較慢,所以在介面中發生光線偏折,也就是「折射現象」。光在氣體中行走的速度和真空中差不多,所以折射現象幾乎可以忽略。但是在極端紫外光頻段,光的頻率和氣體原子的共振頻率接近,光子會被原子短暫吸收後放出。這個吸收和放出的時間差讓光線行走的速度下降許多,使得光線在氣體中仍然發生折射現象。

在固體透鏡中,光線通過不同厚度的部分偏折的角度不一樣,導致聚焦現象。這個聚焦現象也存在氣體中。在氣態透鏡中,氣體濃度高的部位光子被吸收的次數高,通過時間慢;在濃度低的部位吸收的次數低,通過時間快。因此,氣體濃度的差異導致各部位等效折射率不同和偏折角度不同。就像固態透鏡一樣,氣態透鏡也能產生聚焦現象。

同時當作凸透鏡和凹透鏡

研究中使用的氣體是氦氣,氣體以噴流的形式射出(圖二中進入紙面的方向)。噴流中心的氣體濃度高,外圍濃度低,這個濃度的差異正是折射率差異的來源。光線從垂直於氣體噴流的方向射入(圖二中由左到右),光線經過氣體噴流的時候發生折射現象和聚焦現象。

氣體透鏡在不同頻率的極端紫外光折射角度不同。如圖二所示,低頻率的光向內偏折,就像是凸透鏡一樣使光線聚焦;高頻率的光向外偏折,就像是凹透鏡一樣使光線發散。也就是說同一個氣體透鏡可以同時作為凹透鏡和凸透鏡來使用。作為凹透鏡使用時,它可以將一個直徑為2.7毫米的光束聚焦到直徑為410微米的光斑,聚焦效果大約為7倍。此外,氣體噴流的壓力越大,噴流中心和外圍的濃度差異就越大,折射和聚焦現象會越明顯。

圖二、氣態透鏡對於不同頻段有不同的折射效應,使其能同時扮演凸透鏡和凹透鏡。

 

改進空間

就像固態透鏡的幾何形狀對光線聚焦很重要,氣體噴流的濃度分布也對聚焦效果有很大的影響。在這項研究並沒有針對濃度分布作優化,所以氣體透鏡的聚焦效果可能還可以更好。另外,不同氣體種類也對聚焦有影響,這項研究中指測試了氦氣和氬氣,不同氣體之間的差異也是未來研究方向之一。

 

參考資料:Drescher et al., Extreme-ultraviolet refractive optics, Nature (2018)

 

--
作者:陳奕廷,台大物理系學士,史丹佛大學應用物理系博士班就讀中。對各領域的科學都非常好奇,歡迎互相交流。

 

加入好友

2,043 人瀏覽過