Устройство для формирования фотонной струи

Полезная модель относится к области оптического приборостроения, а именно к диэлектрическим фокусирующим устройствам, предназначенным, в частности, для фокусировки электромагнитного излучения в локальную область с субдифракционными размерами.
Известно устройство для формирования фотонной струи, обладающей свойствами сверхразрешения, состоящее из источника излучения и слабопоглощающей диэлектрической частицы с диаметром, сравнимым с длиной волны падающего излучения и расположенной вдоль направления распространения излучения [Гейнц Ю.Э., Земляное А.А., Панина Е.К. Сравнительный анализ пространственных форм фотонных струй от сферических диэлектрических микрочастиц // Оптика атмосферы и океана. 2012. Т. 25, №5. С. 417-424]. При этом диэлектрическая частица выполнена в виде сфероида.
Фотонная струя возникает в области теневой поверхности диэлектрических микросферических частиц - т.е. в ближней зоне дифракции - и характеризуется сильной пространственной локализацией и высокой интенсивностью оптического поля в области фокусировки.
Известное устройство формирует фотонную струю вдоль направления падения излучения в режиме «на прохождение» (т.е. область формирования фотонной струи находится с противоположной стороны диэлектрической частицы относительно источника излучения).
Позднее возможность получения фотонных наноструй была изучена для диэлектрических осесимметричных тел, например, эллиптических наночастиц [Минин И.В., Минин О.В. Квазиоптика: современные тенденции развития - Новосибирск: СГУГиТ, 2015. - 163 с.; T. Jalalia and D. Erni. Highly confined photonic nanojet from elliptical particles // Journal of Modern Optics, Vol. 61, No. 13, 1069-1076 (2014).], многослойных слоисто-неоднородных микросферических частиц с радиальным градиентом коэффициента преломления [Cesar Mendez Ruiz and Jamesina J. Simpson. Detection of embedded ultrasubwavelength-thin dielectric features using elongated photonic nanojets // 2 August 2010 / Vol. 18, No. 16 / OPTICS EXPRESS 16805], а также полусфер [Cheng-Yang Liu. Photonic nanojet shaping of dielectric non-spherical microparticles // Physica E 64 (2014), pp. 23-28.], дисков [B. Lukyanchuk, N.I. Zheludev, S.A. Maier, N.J. Halas, P. Nordlander, H. Giessenand T.C. Chong. The Fano resonance in plasmonic nanostructures and metamaterials. Nat. Mater.9, 707-715 (2010); C-Y. Liu and C-C. Li. Photonic nanojet induced modes generated by a chain of dielectric microdisks. Optik 127, 267-273 (2016).], цилиндра-сферы [Jinlong Zhu and Lynford L. Goddard. Spatial control of photonic nanojets // Optics Express, Vol. 24, No. 26, 2016, 30445].
Также было обнаружено, что фотонные струи могут быть сформированы несимметричными мезоразмерными диэлектрическими частицами, например, куб, усеченный шар, пирамида, усеченная пирамида, призма, объемный шестигранник и т.д. [I.V. Minin and O.V. Minin. Diffractive optics and nanophotonics: Resolution below the diffraction limit, Springer, 2016 http://www.springer.com/us/book/9783319242514#aboutBook; V. Pacheco-Pena, M. Beruete, I.V. Minin and O.V. Minin. Terajets produced by 3D dielectric cuboids. Appl. Phys. Lett. 105, 084102 (2014); I.V. Minin, O.V. Minin and Geintz Y.E. Localized EM and photonic jets from non-spherical and non-symmetrical dielectric mesoscale objects: brief review. Annalen der Physik (AdP), May 2015 DOI: 10.1002/andp.201500132; Yu. E. Geintz, A.A. Zemlyanov and E. K. Panina. Photonic Nanonanojets from Nonspherical Dielectric Microparticles. Russian Physics Journal 58, 904-910 (2015); Yu. E. Geints, A.A. Zemlyanov and E.K. Panina. Characteristics of photonic jets from microcones. Optics and Spectroscopy 119, 849-854 (2015); И.В. Минин, О.В. Минин. Фотоника изолированных диэлектрических частиц произвольной трехмерной формы - новое направление оптических информационных технологий // "Вестник НГУ. Серия: Информационные технологии". 2014, №4, С. 4-10.].
В настоящее время основными параметрами, позволяющими оптимизировать характеристики фотонной струи сфероидальных частиц, являются: форма падающего волнового фронта (плоский или гауссовый), параметр Ми частицы [Рассеяние света малыми частицами / Г. ван де Хюлст; пер. с англ. Т.В. Водопьяновой, под ред. В.В. Соболева. - М.: Изд-во иностранной литературы, 1961. - 536 с.] и относительный показатель преломления материала частицы и среды [Myun-Sik Kim, Toralf Scharf, Stefan Mtihlig, Carsten Rockstuhl, and Hans Peter Herzig. Engineering photonic nanojets // OPTICS EXPRESS, Vol.19, No. 11,10206 (2011)].
Известно устройство для формирования фотонной струи террагерцового диапазона, обладающей свойствами сверхразрешения, состоящее из источника излучения и слабопоглощающей диэлектрической частицы с характерным размером, сравнимым с длиной волны падающего излучения, и расположенной вдоль направления распространения излучения [V. Pacheco-Pena, М. Beruete, I. V. Minin, О. V. Minin. Terajets produced by 3D dielectric cuboids // Appl. Phys. Lett. 105, 084102 (2014); http://dx.doi.org/10.1063/1.4894243)]. При этом частица выполнена в виде куба, а оптимальные размеры диэлектрической кубической частицы удовлетворяют соотношению:
,
0
где k - эмпирический коэффициент, равный (0,90-2,2), L - высота кубоида, H - длина стороны кубоида, λ - длина волны падающего волнового фронта, n/n - относительное значение показателя преломления материала кубоида и окружающей среды.
Известно устройство управления характеристиками фотонной струи (Патент РФ 178616, Устройство для формирования фотонной струи), состоящее из источника излучения и диэлектрической частицы с характерным размером, сравнимым с длиной волны падающего излучения, а на поверхности диэлектрической частицы, обращенной к падающему волновому фронту, нанесен слой материала, не пропускающий падающее на частицу излучение, при этом поперечные размеры этого материала составляют 0,1-0,8 от максимального поперечного размера частицы, отличающееся тем, что частица выполнена в виде цилиндра, а слой материала, не пропускающего падающее на частицу излучение, нанесен на ее плоский торец, расположенный перпендикулярно падающему излучению.
Достоинством устройства является возможность увеличить протяженность фотонной струи. Недостатком данного устройства является невозможность управлять положением в пространстве, формируемой фотонной струи.
Известно устройство управления характеристиками фотонной струи (Патент РФ 176266, Устройство для фокусировки излучения с субдифракционным разрешением), выполненное в форме куба с длиной каждого ребра куба L≈kλN, N=1, 2, 3 …, где λ - длина волны излучения освещающего куб, k - эмпирический коэффициент k=0,98,…1,.2, при этом куб выполнен из материала с эффективным относительным показателем преломления, по отношению к показателю преломления окружающей среды и лежащим в диапазоне от 1,9 до 2,1, а вдоль оси симметрии куба, проходящей через центр противолежащих граней и параллельно падающему излучению, с обратной стороны куба по отношению к падающему излучению выполнено отверстие, при этом длина отверстия меньше или равна длине ребра куба, характерный поперечный размер отверстие, при этом длина отверстия меньше или равна длине ребра куба, характерный поперечный размер отверстия не превышает 0,25 λ, а поперечное сечение отверстия имеет форму квадрата или форму круга.
Достоинством устройства является обеспечение фокусировки когерентного электромагнитного излучения в пятно шириной менее дифракционного предела, менее 0,25 λ. Недостатком данного устройства является невозможность управлять положением в пространстве, формируемой фотонной струи.
В качестве прототипа принято устройство управления характеристиками фотонной струи (Патент РФ 153686, Устройство для формирования фотонной струи с увеличенной глубиной фокуса), состоящее из источника излучения и диэлектрической частицы с характерным размером, сравнимым с длиной волны падающего излучения, при этом на поверхности диэлектрической частицы, обращенной к падающему волновому фронту, нанесен слой материала, не пропускающий падающее на частицу излучение, при этом поперечные размеры этого материала составляют 0,1-0,8 от максимального поперечного размера частицы, при этом диэлектрическая частица в продольном направлении со стороны, противоположной направлению падения излучения, выполнена усеченной формы.
Достоинством устройства является возможность увеличить протяженность фотонной струи. Недостатком данного устройства является невозможность управлять положением в пространстве, формируемой фотонной струи.
Задачей настоящей полезной модели является устранение указанных недостатков, а именно получение возможности управлять положением в пространстве, формируемой фотонной струи.
Указанная задача достигается тем, что устройство для формирования фотонной струи, состоит из источника излучения и диэлектрической частицы с характерным размером, сравнимым с длиной волны падающего излучения, согласно полезной модели частица выполнена в виде частицы с плоской боковой поверхностью и равной толщины, а непосредственно на боковой поверхности частицы, перпендикулярно падающему излучению, установлен металлический экран, на расстоянии от освещенного торца частицы, находящегося в диапазоне от 0 до L, где L - длина частицы вдоль направления падения на нее излучения и толщиной металлического экрана d не менее толщины скин-слоя в материале металлического экрана на частоте источника излучения. Кроме того, частица выполнена в форме куба. Кроме того, частица выполнена в форме цилиндра.
Заявляемое устройство для формирования фотонной струи обладает совокупностью существенных признаков, неизвестных из уровня техники для изделий подобного назначения и неизвестных из доступных источников научной, технической и патентной информации на дату подачи заявки на полезную модель.
Полезная модель поясняется чертежами.
На фиг. 1 показано устройство для формирования фотонной струи с частицей в форме куба.
На фиг. 2 показано устройство для формирования фотонной струи с частицей в форме цилиндра.
На фиг. 3 показаны результаты моделирования управления пространственным положением фотонной струи в зависимости от положения металлического экрана на боковой поверхности диэлектрической частицы без изменения контраста показателя преломления.
Обозначения: 1 - падающее на частицу излучение от источника излучения, 2 - диэлектрическая слабопоглощающая частица, 3 - металлический экран, 4 - фотонная струя.
В результате моделирования падения плоской волны на диэлектрический куб и цилиндр, окруженный металлическим, идеально проводящим экраном показало, что положение металлического экрана оказывает влияние на пространственное расположение фотонной струи.
Экспериментальные исследования проводились в СВЧ диапазоне на частоте 20 ГГц.
Размеры диэлектрической частицы в форме куба равнялись длине волны излучения λ, коэффициент преломления материала частицы равен 1,45-1,46, толщина металлического экрана d=λ/15.
В результате исследований было обнаружено, что наиболее сильное влияние экрана наблюдается в случаях, когда экран расположен около основания куба, ближнего к падающей волне. С продвижением экрана в сторону дальнего основания диэлектрического объекта, влияние экрана ослабевает и оно минимально, когда экран расположен в плоскости дальнего основания куба. Ширина поперечного распределения интенсивности поля фотонной струи в случае расположения металлического экрана на дальнем основании частицы от падающего излучения совпадает со случаем частицы без экрана. Аналогичные зависимости оказались и для цилиндрической частицы.
При расположении экрана непосредственно на боковой поверхности диэлектрической частицы, пространственное положение формируемой фотонной струи зависит от положения металлического экрана на его боковой поверхности. При его смещении, на расстояние, примерно, равное половине длины волны излучения, фотонная струя смещается внутрь диэлектрической частицы. Это эквивалентно увеличению относительного коэффициента преломления материала частицы. При расположении экрана на границе освещенного торца частицы (L=0), в зависимости от величины показателя материала частицы, фотонная струя находится в теле частицы и может не выйти на теневую границу частицы. При расположении экрана на расстоянии L параметры фотонной струи практически не меняются.
Толщина металлического экрана d выбирается не менее толщины скин-слоя в материале металлического экрана на частоте источника излучения. При меньшей толщине металлический экран становится прозрачным для падающего излучения и интерференция волн от дифракции излучения на металлическом экране и волн распространяющихся через диэлектрическую частицу становится недостаточной для изменения пространственного положения формируемой фотонной струи.
Работа устройства происходит следующим образом. Падающее на диэлектрическую слабопоглощающую частицу 2 электромагнитное излучение 1 в результате интерференции волн на частице и металлическом экране 3, расположенном непосредственно на боковой поверхности диэлектрической частицы 2, формируют фотонную струю 4. При изменении положения металлического экрана 3 вдоль боковой поверхности диэлектрической частицы 2 изменяются условия интерференции волн и пространственное положение фотонной струи 4 изменяется.
Достигаемый в такой конструкции устройства для формирования фотонной струи технический результат выражается в возможности изменения пространственного положения формируемой фотонной струи без изменения относительного показателя преломления материала диэлектрической частицы.