СВЕТОДЕЛИТЕЛЬНЫЙ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КУБИК С ВОЗМОЖНОСТЬЮ ФОКУСИРОВКИ

Устройство относится к светоделительным элементам (делителям пучка), предназначенных для разделения падающего светового пучка на отраженный и проходящий с заданным соотношением интенсивностей. Такие устройства должны обладать высоким коэффициентом преобразования излучения. При этом устройство должно обладать малыми габаритами для создания портативных систем.
Делители пучка - весьма распространенные оптические элементы, которые предназначены прежде всего для деления исходного светового пучка, как правило, на два пучка. В настоящее время делители пучка применяются в голографии, в оптическом приборостроении, в интерферометрии (см., например, Родионов Е.М. Методы компенсации погрешностей в оптических приборах. Учебное пособие версия 2010. Московский ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции, ордена Трудового Красного Знамени государственный технический университет им. Н.Э. БАУМАНА, Нагорье 2010).
Светоделительные элементы, как правило, предназначены для разделения падающего светового пучка на отраженный и проходящий, с заданным соотношением интенсивностей.
Известна светоделительная пластина, выполненная в виде плоскопараллельной стеклянной микроканальной пластины, изготовленной из стекла и имеющей большое число отверстий микронного (диаметром 10-12 мкм) размера. При этом размер пластины в направлении, перпендикулярном оптической оси, составляет 34-45 мм (см. Патент СССР 1525660 В 27/10, опубликовано 30.11.89, Б.И. 44 (71) http://www.findpatent.ru/patent/152/1525660.html).
Однако известное техническое решение на основе светоделительной микроканальной пластинки обладает следующими основными недостатками: велики потери на отражение за счет наклонного падения пучка на поверхность пластинки и плохая устойчивость к повреждениям поверхности пластинки. Более того, пропускание такой пластинки мало вследствие используемой перфорации микронными отверстиями. Кроме того, светоделительное устройство на основе плоскопараллельной пластинки не дает возможность осуществить дальнейшую фокусировку излучения для обработки результатов измерений и требует применения дополнительных фокусирующих устройств, что осложняет конструкцию в целом, увеличивает габариты устройства и ведет к снижению эффективности использования излучения за счет потерь как в фокусирующих дополнительных устройствах, так и за счет переотражений от границ «фокусирующее устройство - среда (воздух)».
Известно техническое решение на основе более простой светоделительной пластинки (см., например, А.М. Попов, О.В. Тихонова. ЛЕКЦИИ ПО АТОМНОЙ ФИЗИКЕ. МГУ им. М.В. Ломоносова, 2007, с. 20; «Интерферометр Линника» http://fislac.ru/dik18/L31.htm). Светоделительная пластина, обладающая большим коэффициентом пропускания, представляет собой плоскопараллельную диэлектрическую пластину (см. например, «Плоскопараллельная пластинка», http://www.nngasu.ru/geodesy/instruments/basic-details/04-Ploskoparallelnaya-plastinka.php, «Энциклопедия физики и техники», http://femto.com.ua/articles/part_2/2883.html), покрытую с тыльной стороны тонкой пленкой металла. Толщина пленки металла настолько мала, что она частично отражает и частично пропускает свет. Пучок света от монохроматического источника направляется на светоделительную пластину, где делится на два пучка - прошедший и отраженный - примерно одинаковой интенсивности. Таким образом, пластина играет роль полупрозрачного зеркала. Принцип действия такой светоделительной пластинки более детально раскрыт, в частности, в патенте РФ 2463666, МПК G09B 23/22 (2006.01).
Однако известное техническое решение на основе светоделительной пластинки обладает следующими основными недостатками: велики потери на отражение за счет наклонного падения пучка на поверхность пластинки и плохая устойчивость к повреждениям поверхности пластинки. Кроме того, светоделительное устройство на основе плоскопараллельной пластинки не дает возможность осуществить дальнейшую фокусировку излучения для обработки результатов измерений и требует применения дополнительных фокусирующих устройств, что осложняет конструкцию в целом, увеличивает габариты устройства и ведет к снижению эффективности использования излучения за счет потерь как в фокусирующих дополнительных устройствах, так и за счет переотражений от границ «фокусирующее устройство - среда (воздух)».
Светоделительные элементы чаще всего выполняют в виде кубика с приклеенными к нему дополнительными элементами (см., например, «светоделительный кубик», производства НПП «Фокус» http://www.nppfocus.com/svetodelitelnyj-kubik.php).
Светоделительный кубик обладает рядом значительных преимуществ перед светоделительной пластинкой - он обеспечивает снижение потерь на отражение за счет перпендикулярного падения пучка на поверхность и устойчивость к повреждениям за счет возможной защиты рабочей поверхности с диэлектрическим покрытием.
Известен светоделительный кубик, описанный в патенте США и принятый за прототип (US Patent 2,403,731 “Beam splitter” от 9 июля 1946, Application April 1, 1943, Serial No. 481,391). На Фиг. 2 указанного патента показан принцип построения такого светоделительного кубика. Светоделительный кубик выполнен в виде двух идентичных диэлектрических призм, совмещенных по гипотенузе, на которую нанесено полупрозрачное покрытие.
С точки зрения законов геометрической оптики, диэлектрический кубик, выполненный в виде двух идентичных диэлектрических призм, совмещенных по гипотенузе, представляет собой «толстую» плоскопараллельную пластину.
Однако такому светоделительному кубику присущи следующие основные недостатки: он не дает возможность осуществить фокусировку излучения и требует применения дополнительных фокусирующих устройств, что осложняет конструкцию в целом, увеличивает габариты устройства и ведет к снижению эффективности использования излучения за счет потерь как в фокусирующих дополнительных устройствах (линзах), так и за счет переотражений от границ «фокусирующее устройство - среда (воздух)». Кроме того, принцип построения известных светоделительных устройств основан на законах геометрической оптики, что ограничивает их минимальный размер до нескольких десятков длин волн и не позволяет, следовательно, их использовать в малогабаритных системах оптоэлектроники и фотоники.
Задачей настоящей полезной модели является создание технологически простого в изготовлении оптического элемента, обладающего преимуществами светоделительного кубика и одновременно обладающего возможностью фокусировки прошедшего кубик излучения. Кроме того, дополнительно снижаются минимальные габариты устройства до мезоразмерных.
Настоящая полезная модель направлена на устранение указанных недостатков. Техническое решение состоит в том, светоделительный диэлектрический кубик с возможностью фокусировки, выполненный в виде двух идентичных диэлектрических призм, совмещенных по гипотенузе, на которую нанесено полупрозрачное покрытие, выполняется с размерами граней L=к*M*λ, где к - эмпирический коэффициент, равный к=1…1.3, M - целое число, равное 1, 2, 3, …, λ - длина волны используемого излучения, при этом величина оптического контраста материала кубика находится в диапазоне от 1.2 до 2.2.
На фиг. 1 показан светоделительный кубик, выполненный согласно прототипа: а) схема работы светоделительного кубика, где 1 - падающее излучение, 2 - прошедшее излучение, 3 - отраженное излучение, б) внешний вид светоделительных кубиков.
На фиг. 2 показаны сравнительные схемы работы светоделительных кубиков, выполненных согласно прототипа (а) и заявляемого (б), где: 1 - падающее излучение, 2 - прошедшее излучение, 3 - отраженное излучение, 4 - светоделительный кубик, 5 - фотонная струя (сфокусированное излучение) прошедшая, 6 - фотонная струя (сфокусированное излучение) отраженная, L - длина грани кубика.
На фиг. 3 показаны примеры результатов моделирования (на основе решений уравнений Максвелла) формирования фотонной струи при прохождении кубика с различным оптическим контрастом. Показаны фотонные струи от диэлектрического светоделительного кубика. Излучение падает слева направо.
На фиг. 4 показаны примеры результатов моделирования (на основе решений уравнений Максвелла) формирования фотонной струи при прохождении кубика с различным размером (параметр М). Излучение падает слева направо.
На фиг. 5 показан пример формирования прошедшей и отраженной фотонных струй при падении излучения на светоделительный диэлектрический кубик с возможностью фокусировки. Излучение падает сверху вниз.
Заявляемый светоделительный диэлектрический кубик с возможностью фокусировки работает следующим образом (Фиг. 2б).
При взаимодействии падающего на кубик 4 излучения 1 внутри диэлектрического материала кубика 4 вследствие разных фазовых скоростей волнового фронта в центре и в области граней кубика 4 падающий волновой фронт излучения 1 искажается и становится вогнутым, что приводит к его последующей фокусировки. При соблюдении условий на величину оптического контраста (отношение показателей преломления материала кубика и среды, где он располагается, и размеров граней кубика L (в единицах длин волн падающего излучения 1) непосредственно у «выходной» (теневой) поверхности кубика формируются т.н. фотонные струи 5 и 6 (Фиг. 5).
Исследования показали, что для обеспечения условия формирования фотонных струй размер грани кубика должен составлять L=к*M*λ, где к - эмпирический коэффициент, равный к=1…1.3, M - целое число, равное 1, 2, 3, … (Фиг. 4), λ - длина волны используемого излучения. При этом величина оптического контраста (Фиг. 3) должна находиться в диапазоне от 1.2 до 2.2.
Выбором параметра М (эквивалент работы устройства на гармониках) осуществляется согласование размеров светоделительного кубика 4 и ширины облучающего пучка излучения 1.
Известно, что для классических идеальных линз поперечный размер области фокусировки вследствие фундаментальных дифракционных ограничений не может быть меньше половины длины волны (Борн М. Вольф Э. Основы оптики. Изд. 2-е. Перевод с английского. Главная редакция физико-математической литературы изд-ва «Наука», 1973).
Для диэлектрических мезоразмерных объектов с соблюдений требований на величину оптического контраста размеры формируемых фотонных в продольном направлении составляют от долей до нескольких длин волн излучения, в поперечном - до  длины волны излучения, т.е. меньше классического дифракционного предела (Igor V. Minin, Oleg V. Minin, and Yuri E. Geints. Localized EM and photonic jets from non-spherical and nonsymmetrical dielectric mesoscale objects: Brief review // Arm. Phys. (Berlin) 527, No. 7-8, 491-497 (2015) / DOI 10.1002 / andp. 201500132), что делает их незаменимыми в ряде приложений, включая микроскопы.
Таким образом, заявляемый светоделительный кубик обладает всеми преимуществами известного светоделительного кубика и одновременно появляется возможность фокусировки прошедшего кубик излучения (в прямом и отраженном направлениях). Светоделительных устройств, обладающих указанными свойствами, на сегодня в мире не известно.
Кроме того, применение в качестве светоделительного кубика диэлектрической частицы, например, кубической, формирующей фотонную струю, позволяет избавиться от необходимости установки дополнительных фокусирующих устройств после светоделительного кубика, их взаимной юстировки и обеспечить фокусировку излучения непосредственно у поверхности этого кубика, что фактически позволяет еще сильнее уменьшить продольные габариты устройства, связанные с фокусным расстоянием линзы, до нуля. Такое снижение габаритов по устройствам согласно прототипа и аналогов принципиально не возможно.
Таким образом, за счет снижения размера локальной области фокусировки излучения 1 на выходной поверхности светоделительного кубика 4 до величины менее половины длины волны излучения (до 1/3…1/4 длины волны) снижаются габариты устройства.
Указанными факторами и достигается технический эффект заявляемой полезной модели. Технический результат состоит в создании нового оптического элемента, обладающего преимуществами светоделительного кубика и одновременно обладающего возможностью фокусировки прошедшего излучения. Кроме того, дополнительно снижаются минимальные габариты устройства до мезоразмерных.
Заявляемый светоделительный диэлектрический кубка с возможностью фокусировки позволяет также расширить ассортимент устройств данного назначения с ранее не достижимыми свойствами.
Преимуществом заявляемого светоделительного диэлектрического кубика с возможностью фокусировки является также возможность изготовления растра светоделительных кубиков по технологии, например, фотолитографии, позволяющей упростить производство матрицы заявляемого светоделительного кубика и снизить его стоимость, а также позволяет расширить ассортимент устройств данного назначения.
По результатам исследования всех доступных аналогов, относящихся к указанной области возможного использования, не выявлено технических решений, где бы в данной совокупности использовались указанные ограничительные признаки. Следовательно, можно считать, что заявленное техническое решение является новым и обладает изобретательским уровнем.
Новизна заявляемого светоделительного диэлектрического кубика с возможностью одновременной фокусировки излучения заключается в том, что выполнение светоделительного кубика в виде диэлектрического кубика, формирующего фотонные струи, является новым и не очевидным применением, ранее нигде не использовавшееся.