Устройство фокусировки излучения в криволинейную область в форме акустического крюка

Полезная модель относится к ультразвуковой технике, а точнее к устройствам, предназначенным для фокусировки упругих волн в фокальную область в виде криволинейной области в форме акустического крюка и с поперечными размерами менее дифракционного предела, и может быть использована для проведения научно-исследовательских, контрольно-измерительных и диагностических работ, при осуществлении технологических процессов и исследования биообъектов, а также при ультразвуковом контроле и в медицинской диагностике, в системах звуковидения, акустических микроскопах, перемешивания веществ и т.п.
k
k
k
n
k
π
λ
n
x
x
0
0
Для фокусировки упругих волн с поперечным разрешением, превышающим критерий Рэлея, необходимо фокусировать упругие волны вблизи раздела двух сред с различными величинами акустического показателя преломления. Отношение скоростей звука называют акустическим показателем преломления первой среды по отношению ко второй. Вблизи поверхности раздела сред возбуждаются поверхностные упругие волны, конструктивная интерференция которых может приводить к уменьшению поперечного размера области фокусировки ниже дифракционного предела. Так как акустические поверхностные волны имеют проекцию волнового вектора  на поперечную координату х большую, чем волновое число в среде: >, где =2/ – волновое число в среде,  – акустический показатель преломления среды.
Известно, что осуществить субволновую фокусировку акустических волн возможно по аналогии с эффектом «фотонной струи» в оптическом диапазоне длин волн [Т. Miyashita and С. Inoue, Numerical investigations of transmission and waveguide properties of sonic crystals by nite-difference time-domain method // Japan. J. Appl. Phys. 40, 3488, (2001); Минин И.В., Минин O.B. Квазиоптика: современные тенденции развития. - Новосибирск: СГУГиТ, 2015. - 163 с.].
λ
λ
λ
Фотонные струи это узкая область фокусировки, формируемая на теневой границе диэлектрической частицы с различной формой поверхности, с относительно небольшими относительными показателями преломления (n≤2), с протяженностью более длины волны излучения  и минимальной шириной порядка /3-/4 [A. Heifetzetal. Photonicnanojets // J ComputTheorNanosci. 2009 September 1; 6(9): 1979-1992. doi:10.1166/jctn.2009.1254].
Понятие акустоструи (acoustojets), как аналога фотонной струи в оптике, было впервые введено в работах [I.V. Minin and O.V. Minin, Acoustojet: acoustic analogue of photonic jet phenomenon, arXiv: 1604.08146 (2016); O.V. Minin and I.V. Minin, Acoustic analogue of photonic jet phenomenon based on penetrable 3D particle // Opt. Quant. Electron. 49, 54 (2017); 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)].
Акустоструя это область повышенной концентрации акустической энергии и с высоким (субволновым) пространственным разрешением, возникающая непосредственно на теневой стороне мезоразмерной звукопроводящей частицы.
Акустическая струя возникает только для определенных значений относительной скорости звука в материале звукопроводящей частицы (линзы) и окружающей среды [J.Н. Lopes, М.А.В. Andrade, J.P. Leão-Neto, J.С. 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 O.B. Сверхразрешение в акустических фокусирующих устройствах // Вестник СГУГиТ, Том 23, №2, 2018, с. 231-244.]. Причем с увеличением этого параметра возрастает максимальное значение давления в акустической струе и увеличивается пространственное разрешение такой мезоразмерной линзы.
.
Фотонный крюк является разновидностью фотонной струи. Фотонный крюк – это искривленная фотонная струя на протяженности порядка длины волны излучения [Minin I. V., Minin O. V. Diffractive optics and nanophotonics: Resolution below the diffraction limit. – Springer, 2016 [Электронный ресурс]. – Режим доступа:  http://www.springer.com/us/book/9783319242514#aboutBook; Liyang Yue, O. V. Minin, Zengbo Wang, James N. Monks, A. S. Shalin, and I. V. Minin. Photonic hook: a new curved light beam // Optics Letters, Vol. 43, No. 4 / 15 February 2018, рр. 771-774; Igor V. Minin, Oleg V. Minin, Igor A.Glinskiy, and Dmitry S.Ponomarev. Photonic hook plasmons: a new curved surface wave // Preprints(www.preprints.org), doi:10.20944/preprints201809.0113.v1; G. Gu, L. Shao, J. Song, J. Qu, K. Zheng, X. Shen, Z. Peng, J. Hu, X. Chen, M. Chen, and Q. Wu, Photonic hooks from Janus microcylinders // Opt. Express 27, 37771 (2019); Minin I V, Minin O V, Katyba G, Chernomyrdin N, Kurlov V, Zaytsev K, Yue L, Wang Z and Christodoulides D. Experimental observation of a photonic hook // Appl. Phys. Lett2019, 114, 031105; C.-Y. Liu, H.-J. Chung, and H.-P. E, Reflective photonic hook achieved by dielectric-coated concave hemi-cylindrical mirror // J. Opt. Soc. Am. B, (2020). DOI: 10.1364/JOSAB.399434; Патенты РФ 161207, 195550, 195603, 207824].
Акустический крюк является аналогом фотонного крюка в акустике [C. Rubio, D. Tarrazo-Serrano, O. V. Minin, A. Uris, and I. V. Minin, Acoustical hooks: A new subwavelength self-bending beam // Results Phys. 16, 102921 (2020); X. M. Ren, Q. X. Zhou, Z. Xu, and X. J. Liu, Acoustic hook beam lens for particle trapping // Appl. Phys. Express 13, 064003 (2020)].
λ
Известна газонаполненная акустическая линза в форме кубоида для фокусировки звуковых волн. Акустическая линза содержит оболочку из податливого материала, заполненную газом. При этом оболочка выполняется в форме кубоида с размером ребра не менее /2, а заполняемое вещество оболочки имеет скорость звука относительно скорости звука в окружающей среде, лежащего в диапазоне от 0,5 до 0,83 [Патент РФ 170911. Акустическая линза].
При таких параметрах акустическая линза формирует на своей теневой стороне акустострую и может работать в звуковом диапазоне длин волн.
Недостатком устройства является невозможность фокусировки излучения в криволинейную область в форме акустического крюка, малые прочность и надежность кубоидной линзы.
Известно устройство фокусировки излучения в криволинейную область в форме акустического крюка [Constanza Rubio, Daniel Tarrazo-Serrano, Oleg V. Minin, Antonio Uris, Igor V. Minin. Acoustical hook: a new subwavelengh self-bending beam // Results in Physics, 16 (2020) 102921], состоящее из звукопроводящей частицы, выполненной из материала, обеспечивающего оптический контраст по отношению к окружающей среде равный 1,2-1,75 и имеющее форму кубоида, одно ребро которого совмещено с одной боковой гранью прямой треугольной призмы, выполненной из того же материала и с размером ребра совпадающего с величиной ребра кубоида, равного (0,9-1,3)Nλ, где N – целое число, λ – длина волны используемого излучения в среде, при этом акустическое излучение падает на гипотенузу призмы и микрочастицы, расположенной в области сфокусированного излучения.
Достоинством устройства является возможность субволновой криволинейной фокусировки акустического излучения в жидкостях.
Недостатком устройства является большие продольные размеры фокусирующего устройства, достигающие примерно (1,9-2,3)Nλ, где N целое число, невозможность применения устройства в газах из-за большого значения контраста акустических импедансов фокусирующего устройства и окружающей среды. Кроме того, недостатком устройства является его сложность, обусловленная сложностью выбора материала устройства, отличного от материала окружающего пространства с необходимой скоростью звука и величиной импеданса для малых потерь излучения на отражение, их зависимость от параметров окружающей среды (температура, давление и т.д.).
В качестве прототипа выбрана акустическая кубоидная линза по [Патенту РФ 201846] с размером ребра не менее λ/2, где λ – длина волны излучения в окружающем пространстве линзы и  выполненной из звукопроводящего материала с относительной скоростью звука в материале линзы относительно скорости звука в окружающей среде, лежащего в диапазоне от 0,5 до 0,83 и образованная из решетки параллельных пластин, установленных под углом +α к падающему излучению выше оптической оси линзы и под углом -α ниже оптической оси линзы, шириной пластин, равных длине грани кубоида и выполненных из материала с величиной импеданса, отличного от импеданса окружающей среды.
Достоинством устройства является возможность субволновой фокусировки акустического излучения, ее прочность и надежность.
Недостатком устройства является невозможность фокусировки излучения в криволинейную область в форме акустического крюка.
Задачей настоящей полезной модели является устранение указанных недостатков, а именно разработка устройства фокусировки излучения в криволинейную область в форме акустического крюка, предназначенного для работы в газах или жидкостях.
λ
n
n=1/сos
Указанная задача решена благодаря тому, что в устройстве фокусировки излучения в криволинейную область в форме акустического крюка, состоящим из кубоидной частицы, выполненной из звукопроводящего материала с относительной скоростью звука в материале частицы относительно скорости звука в окружающей среде, лежащем в диапазоне от 0,5 до 0,83 и образованного из решетки параллельных пластин, выполненных из материала с величиной импеданса, отличного от импеданса окружающей среды, новым является то, что кубоидная частица, состоит из двух частей в форме правильных треугольных призм, сопряженных по диагонали и выполненных из материалов с различными показателями преломления, с оптическим контрастом по отношению к окружающей среде первой правильной треугольной призмы, на боковую поверхность которой падает излучение, равным примерно 1,4-1,75, и показателем преломления материала второй правильной треугольной призмы меньше показателя преломления материала первой правильной треугольной призмы в 0,8-1,2 раза, а звукопроводящий материал правильной треугольной призмы выполнен из решетки параллельных пластин равной толщины и расположенных под углом α к падающему излучению, с расстоянием между пластинами не более /2, при этом эффективный показатель преломления материала  определяется по выражению α.
Заявляемое устройство фокусировки излучения в криволинейную область в форме акустического крюка 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 изобретение.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 приведена схема устройства фокусировки излучения в криволинейную область в форме акустического крюка и пример моделирования формирования акустического крюка по предлагаемому техническому решению. Устройство фокусировки расположено в воздухе, эффективный показатель преломления материала первой правильной треугольной призмы равен 1,50, второй призмы 1,30. Размер ребра кубоида 2λх2λх2λ, где λ длина волны используемого излучения.
n
/n
n
n
n
/n
n
1
0
0
1
2
1
2
Обозначения: 1 – освещающее излучение; 2 – фокусирующее устройство, состоящее из двух частей в форме правильных треугольных призм сопряженных по диагонали; 3 – первая правильная треугольная призма, на боковую поверхность которой падает излучение с оптическим контрастом по отношению к окружающей среде равным примерно  = 1,4-1,75, где  и  – показатели преломления окружающей среды и материала первой призмы; 4 – вторая правильная треугольная призма с показателем преломления материала менее показателя преломления материала первой правильной треугольной призмы  в 0,8-1,2 раза, где  – показатель преломления материала второй призмы; 5 – «акустический крюк».
Устройство фокусировки излучения в криволинейную область в форме акустического крюка работает следующим образом. Источник акустического излучения формирует акустическую волну 1 и облучает кубоидное стройство фокусировки излучения в криволинейную область 2. Фокусирующее устройство 2 выполнено в форме кубоида состоящего из двух частей в форме правильных треугольных призм 3, 4 сопряженных по диагонали и выполненных из материалов с различными показателями преломления. Оптический контраст по отношению к окружающей среде первой правильной треугольной призмы 3, на боковую поверхность которой падает излучение, равен примерно 1,4-1,75. Показатель преломления материала второй правильной треугольной призмы 4 меньше показателя преломления материала первой правильной треугольной призмы 3 в 0,8-1,2 раза.
1/сos
n=1/сos
.
Искусственный материал, образован из решетки параллельных пластин установленных под углом αк падающему излучению. Принцип действия такой искусственной среды заключается в том, чтобы заставить волны двигаться между наклонно расположенными пластинами. В этом случае, проходимый путь возрастает в αраз, что соответствует эффективному показателю преломления по отношению к распространению волн в свободном пространстве α[Kock W. E. Metal-lens antennas // Proc. IRE. 34, 828–836 (1946). Winston E. Kock. Metallic Delay Lenses // Bell System Technical Journal, 1948, 27, р. 58-82.]В таком искусственном диэлектрике эффективный показатель преломления зависит только от угла наклона пластин решетки.
При взаимодействии падающего на фокусирующее устройство 2 акустического излучения внутри искусственного материала фокусирующего устройства 2 вследствие разных фазовых скоростей волнового фронта в центре и в области граней кубика 2 падающий волновой фронт излучения искажается и становится вогнутым, что приводит к его последующей фокусировке.
Nλ
N
λ
Для того чтобы придать криволинейную форму локальной области фокусировки (акустический крюк) 5, нужно изменить параметры фазового волнового фронта внутри кубоида 2. Это достигается выполнением кубоидной частицы 2 с величиной ребра кубоида, равного (0,9-1,3), где  – целое число,  – длина волны используемого излучения в среде из двух частей в форме правильных треугольных призм 3, 4 сопряженных по диагонали и выполненных из материалов с различными показателями преломления. Акустический крюк 5 формируется вблизи теневой поверхности кубоидной частицы 2.
Исследования показали, что для обеспечения условия формирования акустического крюка величина оптического контраста первой правильной призмы 3 должна находиться в диапазоне от 1,4 до 1,75, а показатель преломления материала второй правильной треугольной призмы 4 должен быть меньше показателя преломления материала первой правильной треугольной призмы 3 в 0,8-1,2 раз. Вне этого диапазона акустический крюк либо перестает обладать фокусирующими свойствами, либо практически не искривляется.
В результате дифракции акустической волны на углах кубоида и интерференции волн прошедших через устройство фокусировки 2 формируется область фокусировки 5 в форме акустического крюка.
λ
λ.
Выполнение решетки параллельных пластин равной толщины и расположенных под углом α к падающему излучению, с расстоянием между пластинами не более /2, позволяет упростить устройство и сохранить постоянным расстояние между пластинами. Толщина пластин определяет прочность фокусирующего устройства и может быть равной порядка 0.1
λ
λ/8,
λ.
Уменьшение расстояния между пластинами менее /2 позволяет более точно аппроксимировать требуемый эффективный показатель преломления. В данном устройстве расстояние между пластинами было выбрано равным атолщина 0,08
Характерно, что акустический крюк имеет свою длину менее длины волны используемого излучения.
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 мезоразмерных частиц с соблюдений требований на величину оптического контраста размеры формируемых акустических струй в продольном направлении составляют от долей до нескольких длин волн излучения, в поперечном – до длины волны излучения, т.е. меньше классического дифракционного предела [C. Rubio, D. Tarrazo-Serrano, O. V. Minin, A. Uris, and I. V. Minin, Acoustical hooks: A new subwavelength self-bending beam // Results Phys. 16, 102921 (2020); X. M. Ren, Q. X. Zhou, Z. Xu, and X. J. Liu, Acoustic hook beam lens for particle trapping // Appl. Phys. Express 13, 064003 (2020)], что делает их незаменимыми в ряде приложений, включая микроскопы.
Таким образом, предлагаемое устройство фокусировки излучения обеспечивает фокусировку в криволинейную область в форме акустического крюка и может быть применимо как в газах, так и в жидкостях, в том числе для фокусировки мощного излучения. Так как материал окружающей среды находится в структуре устройства, а относительный показатель преломления материала устройства зависит только от физической длины параллельных пластин или от угла наклона этих пластин по отношению к падающему излучению, то работоспособность устройства не зависит от скорости звука в окружающей среде.