Устройство субволновой фокусировки поверхностных упругих волн

Полезная модель относится к области акустики, в частности к средствам фокусировки поверхностных упругих волн и может быть широко использована для проведения научно-исследовательских, контрольно-измерительных и диагностических работ.
В настоящее время известно несколько типов планарных линз: геодезические линзы, линзы Люнеберга, линзы с изменением эффективного показателя преломления волновода, дифракционные линзы [Н.В. Никоноров, С.М. Шандаров. «Волноводная фотоника». Учебное пособие, курс лекций. СПб: СПбГУ ИТМО, 2008 г. - 143 стр.; Патент США 7729577, 4856861]. Линзы состоят из дополнительного волноводного слоя с показателем преломления отличным от показателя преломления материала линзы, представляющей собой углубление или возвышение сферической или асферической формы.
Недостатком таких устройств является низкое пространственное разрешение и они не предназначены для фокусировки поверхностных упругих волн.
Предел разрешения для классических идеальных линз (поперечный размер области фокусировки) не может быть меньше половины длины волны излучения [Борн М., Вольф Э. Основы оптики. Изд. 2-е. Пер. с англ. Главная редакция физико-математической литературы. М., Наука, 1973]. Для акустической линзы по патенту US 20020045819 обеспечивается поперечное разрешение больше 4-5 длин волн излучения, при этом повышение величины поперечного разрешения до субволнового значения недостижимо.
Известны различные акустические линзы для фокусировки упругих волн, материалом которых могут быть жидкие, твердые и газообразные вещества, при этом линзы могут иметь плоско-выпуклую, плоско-вогнутую, двояковыпуклую, двояковогнутую и выпукло-вогнутую поверхности [Каневский И.Н. Фокусирование звуковых и ультразвуковых волн. М.: Наука, 1977, с. 3-36; T. Tarnoczy. Sound focussing lenses and waveguides // ULTRASONICS, July-September, 1965, p. 115-127.; WO 2016070200 A1 David C. Calvo, Abel L. Thangawng. Acoustic Fresnel zone plate lens for aqueous environments and method of using same].
Известна акустическая линза, содержащая тонкую звукопроницаемую оболочку, заполненную жидкой средой и с двояковыпуклой или двояковогнутой поверхностью [Ультразвук. Маленькая энциклопедия. Под ред. И.П. Голяминой. М.: Советская энциклопедия, 1979, с. 176-178; Каневский И.Н. Фокусирование звуковых и ультразвуковых волн. М.: Наука; 1977, с. 265].
Известна жидкостная звуковая линза [патент РФ No441976], выполненная из искусственного материала с переменным коэффициентом преломления, представляющая собой набор цилиндров в звукопроницаемой оболочке, заполненных рабочей жидкостью с диаметром сечения менее половины длины волны и расстоянием между цилиндрами менее длины волны.
Недостатком известных акустических линз являются большие габариты, относительный диаметр D/λ, более 10-15, низкое пространственное разрешение, не превышающее дифракционного предела и они не предназначены для фокусировки поверхностных упругих волн.
Известна акустическая линза для формирования области фокусировки непосредственно за теневой поверхностью [Патент РФ 167049], содержащая преломляющую среду из акустически проводящего материала с границами раздела с окружающей средой со скоростью звука в преломляющей среде не более 2,5 раза, чем скорость звука в окружающей среде и выполненная в виде трехмерной частицы с характерными размерами порядка длины волны акустического излучения в среде, с относительной скоростью звука в материале частицы не менее 1,1 и относительным волновым сопротивлением не более 25.
Акустическая линза формирует область фокусировки непосредственно за теневой поверхностью с размерами в поперечном (относительно направления распространения излучения) направлении на уровне половинной мощности менее классического дифракционного предела - до четверти длины волны акустического излучения в среде λ, и с протяженностью области фокусировки (1-5)λ, чем достигается повышение локализации сфокусированного акустического поля до субволнового значения.
Недостатком известной акустической линзы является то, что она не предназначена для фокусировки поверхностных упругих волн.
Известны акустические фокусирующие устройства линзы, формирующие область фокусировки (акустострую) непосредственно за теневой поверхностью линзы [Патент РФ 170911, Акустическая линза, Опубликовано: 15.05.2017 Бюл. № 14; Патент РФ 2618600, Акустическая линза, Опубликовано: 04.05.2017 Бюл. № 13; Минин И.В., Минин О.В.; Сверхразрешение в акустических фокусирующих устройствах // Вестник СГУГИТ, Том 23, № 2, 2018, с. 231-244; H. Lopes, M. A. B. Andrade,  J. C. Adamowski, I. V. Minin, and G. T. Silva. Focusing Acoustic Beams with a Ball-Shaped Lens beyond the Diffraction Limit // PHYS. REV. APPLIED 8, 024013 (2017), DOI: 10.1103/PhysRevApplied 8.024013; Минин И.В., Минин О.В. Фотонные струи в науке и технике // Вестник СГУГИТ, Т. 22, № 2, 2017, с. 212-234; Minin, O.V., Minin, I.V. Acoustojet: acoustic analogue of photonic jet phenomenon based on penetrable 3D particle // Opt Quant Electron. - 2017. - Vol. 49. - 54 p. doi:10.1007/s11082-017-0893-y; J.H. Lopes, J.P. Leo-Neto, I.V. Minin, O.V. Minin, a & G.T. Silva, A theoretical analysis of acoustic jets // ICA2016, 0943, (2016).] и предназначенные для работы в жидкости и газах.
Такие акустические линзы находят применение в устройствах формирования изображения объектов с субдифракционным разрешением [Патент РФ 2654387], в акустических микроскопах [Патент РФ 172340], в акустических ловушках в поле стоячей волны на основе двух встречных пучков [Патент РФ 174330], акустических датчиках [Патент РФ № 175684], в устройстве фокусированного воздействия ультразвуком высокой интенсивности для сканирования и лечения опухолей [Патент РФ № 176516], в печатающей головке для акустического принтера [Патент РФ 181238], в устройстве для регистрации отпечатка пальца [Патент РФ 184082]. При этом акустическая линза может быть выполнена в виде трехмерной мезоразмерной частицы с различной формой поверхности, например, сферической или цилиндрической, или кубической, или конической пирамиды с характерным размером, кратным длине волны акустического излучения в среде.
Достоинством таких линз является высокое пространственное разрешение порядка λ/3-λ/4. Недостатком является то, что они не предназначены для фокусировки поверхностных упругих волн.
Наиболее близким аналогом к заявляемому решению является устройство фокусировки поверхностных упругих волн по патенту США 4294507 Controllably deformed elastic waveguide elements, содержащее акустическую линзу, состоящую из тонкого плоского слоя из упругого материала в котором выполнено полусферическое углубление, при этом слой расположен на упругой подложке.
Достоинством устройства является возможность фокусировки поверхностных упругих волн.
Недостатком устройства является невозможность субволновой фокусировки поверхностных упругих волн.
Задача полезной подели - разработка устройства субволновой фокусировки поверхностных упругих волн.
Поставленная задача достигается тем, что в устройстве субволновой фокусировки поверхностных упругих волн, содержащем акустическую линзу, состоящую из тонкого плоского слоя из упругого материала, в котором выполнено углубление, при этом слой расположен на упругой подложке, новым является то, что углубление выполнено с поперечными размерами порядка длины волны используемого излучения, а толщины слоя в углублении и слоя, в котором она выполнена, связаны соотношением:
слой
частица
h=(1,36-3,18)h,
при этом плотность материала слоя не превышает плотности материала упругой среды подложки.
Кроме того, углубление выполнено в виде диска или усеченного диска, или прямоугольника или треугольника.
Заявителем не выявлены какие-либо технические решения, идентичные заявленному, что позволяет сделать вывод о соответствии настоящей полезной модели критерию «новизна».
Заявителем не выявлены источники информации, в которых содержались бы сведения о влиянии отличительных признаков полезной модели на достигаемый технический результат. Указанные новые свойства объекта обусловливают, по мнению заявителя, соответствие полезной модели критерию «изобретательский уровень».
На Фиг. 1 приведена схема устройства субволновой фокусировки поверхностных упругих волн, в случае выполнения углубления в виде диска, или усеченного диска, или прямоугольника, или треугольника.
На Фиг. 2 приведены примеры результатов математического моделирования субволновой фокусировки поверхностной упругой волны углублением в форме диска. Толщина упругого слоя 0,8 мм, толщина слоя углубления 0,3 мм, диаметр диска 32 мм, частота поверхностной волны 150 Гц. Сформирована область фокусировки с поперечным размером 0,34 от длины волны падающего излучения.
Обозначено:
1 - тонкий плоский слой из упругого материала,
2 - углубление в слое 1,
3 - упругая подложка,
4 - поверхностная упругая волна,
5 - область фокусировки,
6 - углубление в форме диска,
7 - углубление в форме усеченного диска,
8 - углубление в форме прямоугольника,
9 - углубление в форме треугольника,
слой
углубления
h и h соответственно толщина слоя 1 и слоя в углублении 2.
Устройство субволновой фокусировки поверхностных упругих волн с углублением в форме диска, или усеченного диска, или прямоугольника, или треугольника работает следующим образом.
По поверхности упругой подложки 3, например, воды или другой жидкости распространяется поверхностная упругая волна 4. На поверхности упругой подложки 3 размещается тонкий плоский слой из эластичного материала 1 с плотностью материала слоя 1 не превышающей плотность материала упругой среды подложки 3. Тонкий слой 1 свободно плавает по поверхности подложки 3. При распространении поверхностной волны 4 слой 1 изгибается и принимает форму поверхностной волны 4.
ф
В результате проведенных исследований было обнаружено, что фазовые скорости V распространения поверхностной волны 4 зависят от толщины слоя 1 и связаны соотношением:
Таким образом, более толстому слою соответствует меньшая фазовая скорость и меньший показатель преломления.
Из технической литературы известно, что формировать локальные области концентрирования электромагнитной энергии вблизи поверхности мезоразмерных диэлектрических частиц возможно с помощью частиц различной формы, например в форме сферы, куба, пирамиды, при облучении их электромагнитной волной с плоским волновым фронтом 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].
Возможность получения фотонных наноструй были изучены для диэлектрических осесимметричных тел, например, эллиптических наночастиц, многослойных слоисто-неоднородных микросферических частиц с радиальным градиентом коэффициента преломления, а также «обрезанных» полусфер, дисков, цилиндра-сферы, круглого конуса и для несимметричных мезоразмерных диэлектрических частиц (Минин И.В., Минин О.В. Фотонные струи в науке и технике // Вестник СГУГиТ, Том 22, No 2, 2017, с. 212-234; Minin I. V., Minin O. V., Geintz Y. E. Localized EM and photonic jets from non-spherical and non-symmetrical dielectric mesoscale objects: brief review // Annalen der Physik (AdP). - 2015. doi: 10.1002/andp.201500132).
углубления
Выполняя в слое 1 углубление 2 в форме диска 6 или в форме усеченного диска 7, или в форме прямоугольника 8, или в форме треугольника 9 мезоразмерных размеров, примерно от длины волны используемого излучения до 50 длин волн излучения и меняя толщину слоя углубления h меняется эффективный показатель преломления среды.
В результате исследования было обнаружено, что если толщины слоя в углублении и слоя в котором она выполнена, связаны соотношением:
слой
углубления
h=(1,36-3,18)h,
формируется область фокусировки 5 с субволновым разрешением, которая является 2D аналогом фотонной струи.
При относительной толщине слоя менее примерно 1,36 формируется область фокусировки, не превышающей дифракционный предел, а при относительной толщине слоя более 3,18 область фокусировки формируется внутри углубления 2 внутри слоя 1.
В качестве материалов плоского тонкого слоя могут быть материалы, например, на основе силиконовых резин [A. Cafarelli, P. Miloro, A. Verbeni, M. Carbone, F. Menciassi. Speed of sound in rubber-based materials for ultrasonic phantoms // J. Ultrasound (2016) 19:251-256, DOI 10.1007/s40477-016-0204-7] со скоростью звука от 956 до 1397 м/с и импедансом от 1,03 до 1,42.
Таким образом, совокупность заявляемых признаков позволяет достичь поставленной задачи и обеспечить область фокусировки поверхностной упругой волны заявляемого устройства с субволновым разрешением, превышающим дифракционный предел.