Линза Мининых
MININ LENS

Изобретение относится к антенной технике, а именно к устройствам для фокусировки радиоволн терагерцового и миллиметрового диапазонов.
Терагерцовый (ТГц) диапазон частот электромагнитного спектра лежит между инфракрасным диапазоном и областью миллиметровых длин волн. Граница ТГц диапазона в настоящее время точно не определена. В более широкой интерпретации ТГц диапазон занимает область частот от 100 ГГц до 10 ТГц или диапазон длин волн от 3 мм до 30 мкм.
ТГц диапазон применяется в различных областях науки и технике, в устройствах дефектоскопии, интроскопии и системах радиовидения, ведутся исследования процессов взаимодействия ТГц излучения с различными материалами, например, биологическими тканями, в медицине, в системах связи.
Микроволновые фокусирующие устройства используются для повышения плотности электромагнитной энергии в области фокусировки мощного электромагнитного излучения при высокоскоростном спекании компактированных керамических материалов, включая нанокерамику, при получении новых керамических материалов и изделий порошковой металлургии (металлокерамики), в устройствах формирования и вулканизации покрышек пневматических шин с использованием для нагрева СВЧ энергии, в устройствах термического прессования резинотехнических изделий, например, в процессе вулканизации фрикционных тормозных накладок автомобилей, в экспериментальной физике и т.д.
Известны диэлектрические линзы с различной формой поверхности: двояковыпуклые, двояковогнутые, плоско-выпуклые для фокусировки терагерцового и миллиметрового излучения, например, изготовленные из полиэтилена, фторопласта (тефлон), кремния [Yat Hei Lo, Rainer Leonhardt. Aspheric lenses for terahertz imaging // Optic Express. – 2008. – Vol. 16, No. 20. – P. 15991–15998; Dewey R. J. Design considerations for millimeter wave lens antennas // The Radio and Electronic Engineer. – 1982. – Vol. 52. – P. 551–558; Cloutier G. G., Bekefi G. Scanning characterisitcs of microwave aplanatic lenses // IRE Transactions on Antennas and Propagation. – 1957. – Vol. AP-5, P. 391–396.]. Форма поверхности линзы может быть достаточно сложной, например, плоско-гиперболической либо эллиптическо-асферической и т.д. Кроме того, для эффективной фокусировки излучения линза должна иметь большой относительный диаметр (D/λ) не менее 10–20.
Недостатком таких линз являются их большие поперечные размеры, значительно превышающие используемую длину волны излучения, низкое пространственное разрешение, сложность изготовления прецизионных поверхностей и отсутствие в них плоских рабочих поверхностей, а также невозможность их использования для фокусировки мощного электромагнитного излучения.
Создание линз для работы в терагерцовом диапазоне длин волн затруднено тем обстоятельством, что существует лишь небольшое количество веществ с малыми потерями энергии в материале и с требуемым показателем преломления [Nazarov M. M., Shilov A. V., Bzheumikhov K. A., Margushev Z. C., Sokolov V. I., Sotsky A. B., Shkurinov A. P. Eight-capillary cladding THz waveguide with low propagation losses and dispersion // IEEE Trans. Terahertz Sci. Technol. – 2018. – Vol. 8. – P. 183–191; Ali S., Ahmed N., Aljunid S., Ahmad B. Hybrid porous core low loss dispersion flattened fiber for THz propagation // Photon. Nanostruct. – 2016. – Vol. 22. – P. 18–23.].
Выходом из создавшейся ситуации может быть использование искусственных материалов. Терагерцовые линзы могут быть изготовлены из искусственных или метаматериалов.
Известны терагерцовые линзы выполненные из различных метаматериалов, например, [J. Neu, B. Krolla, O. Paul, B. Reinhard, R. Beigang, and M. Rahm, Metamaterial-based gradient index lens with strong focusing in the THz frequency range, // Opt. Express 18, 27748–27757 (2010); G. Savini, P. A. R. Ade, and J. Zhang, A new artificial material approach for flat THz frequency lenses // Opt. Express 20, 25766– 25773 (2012); Y. Takebayashi, T. Konno, S. Shimada, F. Miyamaru, J. C. Young, H. Kitahara, K. Takano, M. Hangyo, and T. Suzuki, Focusing effect measurements of artificial dielectric multilayer lens with metal rectangular chips for terahertz wave band // Appl. Phys. A 115, 501–508 (2014); D. Hu, X. Wang, S. Feng, J. Ye, W. Sun, Q. Kan, P. J. Klar, and Y. Zhang, Ultrathin terahertz planar elements // Adv. Opt. Mater. 1, 186– 191 (2013); X.-Y. Jiang, J.-S. Ye, J.-W. He, X.-K. Wang, D. Hu, S.-F. Feng, Q. Kan, and Y. Zhang, An ultrathin terahertz lens with axial long focal depth based on metasurfaces // Opt. Express 21, 30030–30038 (2013); S.-G. Park, K. Lee, D. Han, J. Ahn, and K.-H. Jeong, Subwavelength silicon through-hole arrays as an all-dielectric broadband terahertz gradient index metamaterial // Appl. Phys. Lett. 105, 091101 (2014); Q. Yang, J. Gu, D. Wang, X. Zhang, Z. Tian, C. Ouyang, R. Singh, J. Han, and W. Zhang, Efficient flat metasurface lens for terahertz imaging // Opt. Express 22, 25931–25939 (2014); T. Togashi, H. Kitahara, K. Takano, M. Hangyo, M. Mita, J. C. Young, and T. Suzuki, Terahertz path-length lens composed of oblique metal slit array // Appl. Phys. A 118, 397–402 (2015)].
Недостатком линз из метаматериалов является использование резонансной среды, а также их большие поперечные размеры, значительно превышающие используемую длину волны излучения.
Известна металлопластинчатая плоско вогнутая, плоско выпуклая или вогнутая вогнутая c гиперболическими поверхностями линза [Patent US 2684724, Sound wave refraction; Patent US 2596251, Wave guide lens system; Patent US 2576463, Metallic lens antenna; V. M. Astapenya and  V. Yu. Sokolov. Modified Accelerating Lens as a Means of Increasing the Immunity Systems of IEEE 802.11 systems // International Conference on Antenna Theory and Techniques, 21-24 April, 2015, Kharkiv, Ukraine, pp. 267-269.].
Эффективный показатель преломления N такой среды зависит только от угла наклона θ пластин:
N=1/cosθ.
эф
Эффект фокусировки достигается за счет физического увеличения пути распространения электромагнитной волны между параллельными пластинами по сравнению со свободным пространством. Такая искусственная среда имеет эффективный показатель преломления, который зависит только от угла наклона пластин [Kock W. E. Metal-lens antennas // Proc. IRE. – 1946. – Vol. 34. – P. 828–836; Kock W. E. Metallic Delay Lenses // Bell System Technical Journal. – 1948. – Vol. 27. –  Р. 58–82.]. В таблице приведены значения эффективного показателя преломления N от угла наклона пластин.
Таблица
эф
Значения эффективного показателя преломления N от угла наклона пластин
Эф. показатель преломления, N<sub>эф</sub>
1
1,02
1,06
1,15
1,31
1,56
1,74
2
Угол наклона пластин
0
10
20
30
40
50
55
60
Достоинством известных линз является их простота и прочность, и использование не резонансной среды по сравнению с известными метаматериалами.
Недостатком линзы является сложность ее поверхности, большие габариты.
В качестве прототипа выбрано устройство линзы приведенное в [Takehito Suzuki, Masashi Sekiya, Hideaki Kitahara. Terahertz beam focusing through designed oblique metal-slit array // Applied Optics. – 2019. – Vol. 58, No. 15. – Р. 4007–4013.]. Известная металлопластинчатая линза с плоско-выпуклой гиперболической поверхностью, образованная решеткой последовательно расположенных плоских параллельных металлических пластин установленных под углом к падающему излучению и с одинаковыми расстояниями между пластинами. Линза предназначена для фокусировки терагерцового излучения и имела диаметр 17λ, где λ длина волны используемого излучения. Металлические наклонные пластины были покрыты золотом и образовывали среду с эффективным показателем преломления равным 1,31 на частоте 0,5 ТГц.
Недостатком линзы является сложность ее поверхности, большие габариты.
Задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков, а именно разработка устройства линзы с плоскими поверхностями и малыми габаритами.
Указанная задача достигается тем, что линза, состоящая из решетки последовательно расположенных плоских параллельных металлических пластин установленных под углом к падающему излучению и с одинаковыми расстояниями между пластинами, новым является то, что линза выполнена в форме кубоида с величиной ребра не менее λгде λ – длина волны используемого излучения, в котором размещены металлические плоские пластины изогнутые под одинаковым углом с соосно расположенными их вершинами и расположенные вдоль оптической оси линзы, с расстоянием между пластинами не более 0,5λ и эффективным показателем преломления лежащем в диапазоне примерно от 1,4 до 2.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 приведена схема устройства.
λ
λ
На фиг. 2 приведены результаты численного моделирования фокусировки электромагнитного излучения с частотой 150 ГГц металлопластинчатой кубоидной линзой с величиной ребра равного 3и расстоянием между пластинами равным 0,4.
Обозначения: 1 - падающее на линзу электромагнитное излучение, 2 – линза в форме кубоида, 3 - массив соосных и последовательно расположенных изогнутых под одним углом пластин, 4 – область фокусировки электромагнитного излучения.
λ
В результате проведенных исследований было установлено, что терагерцовая кубоидная линза с размером ребра 3, состоящая из металлической решетки, составленная из полос равной толщины и наклоненных по отношению к падающему излучению, не формирует симметричную область фокусировки излучения, которая расположена вдоль оптической оси линзы.
Аналогичная терагерцовая кубоидная линза из однородного диэлектрика обеспечивает фокусировку излучения. Область фокусировки излучения возникает непосредственно на теневой поверхности линзы, имеет симметричный вид и расположена вдоль ее оптической оси.
Заявляемая линза работает следующим образом. Освещающее излучение 1 падает на линзу в форме кубоида 2, образованного массивом соосных и последовательно расположенных металлических плоских пластин, изогнутых под одинаковым углом с соосно расположенными их вершинами и расположенные вдоль оптической оси линзы 3. Электромагнитная волна, проходя больший пусть вдоль поверхности пластин, имеет больший эффективный показатель преломления, чем при распространении излучения вдоль поверхности кубоидной линзы. Особенностью линзы является то, что вещество окружающее линзу 2 находится и между массивом соосных, и последовательно расположенных пластин изогнутых под одним углом 3 и эффективный показатель преломления материала линзы не зависит от показателя преломления окружающей среды. В результате дифракции электромагнитной освещающей волны на кубоидной линзе, ее углах и интерференции волн прошедших через линзу формируется область фокусировки 4.
В результате численного моделирования и экспериментального исследования было установлено, что фокусировка излучения не происходит при размере ребра кубоидной линзы менее λ.
λ
λ.
λ
При моделировании работы устройства, расстояние между изогнутыми пластинами выбиралось менее /2, равным, примерно 0,4 При уменьшении расстояния между пластинами увеличивается «однородность» такого материала. При увеличении расстояния между соосными конусами более 0,5 уменьшалась интенсивность формируемой области фокусировки.
Результаты исследований показали, что фокусировка электромагнитного излучения металлопластинчатой кубоидной линзой происходит в случае, когда излучение падает на вогнутую сторону изогнутых пластин, так и на их выпуклую сторону. Фокусировка излучения сохраняется в широком диапазоне изменения эффективного показателя преломления материала искусственной среды. Но качество фокусировки излучения различно.
В случае падения освещающего излучения на кубоидную линзу со стороны вогнутой поверхности решетки пластин наблюдаются интенсивные боковые лепестки излучения и область фокусировки формируется на расстоянии от теневой поверхности линзы.
В случае падения освещающего излучения на кубоидную линзу со стороны выпуклой  поверхности решетки изогнутых пластин наблюдается область фокусировки излучения формируемой непосредственно на теневой поверхности линзы. В этом смысле такую линзу можно рассматривать как фокусирующую янус-частицу [Perro A., Reculusa S., Ravaine S. et alDesign and synthesis of Janus micro- and nanoparticles // J. Mater. Chem. 2005. V. 15. P. 3745-3760.].
Нижняя граница эффективного показателя преломления материала линзы примерно равно 1,4. При показателе преломления менее 1,4 формируется область фокусировки с разрешением примерно равным менее дифракционного предела. Верхняя граница эффективного показателя преломления материала линзы примерно равна 2. При показателе преломления более 2 область фокусировки смещается внутрь тела линзы.
Линза может быть изготовлена, например, известным способом изготовления металлопластинчатых линз путем гальванического наращивания металла, последующего его травления и обработки рабочих поверхностей [А.С. СССР 417757].
Заявляемая линза обеспечивает актуальное расширение приборного арсенала современных фокусирующих систем.
Достигаемый в такой линзе полезный эффект выражается в устройстве линзы с плоскими внешними поверхностями, с минимальным поперечным размером порядка λ и обеспечении возможности фокусировки мощного электромагнитного излучения.
Кроме того, особенностью этой линзы является то, что она сохраняет свою работоспособность и в акустике.