Волновод с субволновой фокусировкой для терагерцовой эндоскопии
WAVEGUIDE WITH SUBWAVELENGTH FOCUSING FOR TERAHERTZ ENDOSCOPY

Изобретение относится к оптике, а именно к устройствам для передачи и преобразования пучков терагерцового излучения, и может быть использовано ТГц спектроскопии малых объектов в биомедицинской диагностике, приборах удаленной ТГц спектроскопии и др.
Известным способом формирования каустики ТГц излучения с поперечными размерами, имеющими субволновой масштаб (существенно меньшими, чем размеры, определяемые дифракционным пределом Аббе) является применение металлических проводов с сужением выходного конца [аналог V.Astley, R.Mendis, and D.M. Mittlemana "Characterization of terahertz field confinement at the end of a tapered metal wire waveguide" Applied Physics Letters 95, 031104, 2009]. Поперечный размер провода равен или несколько меньше длины волны терагерцового излучения. Вводимое в волокно терагерцовое излучение распространяется по проводу и сужающейся части (угол наклона образующей 4,5 градуса), образуя в непосредственной близости от окончания сужения поле с высокой амплитудой вектора напряженности электрического поля терагерцового излучения в пределах пятна размером в 1/100 от длины волны излучения. Недостатком устройств является хрупкость и ограничение условий эксплуатации, в т.ч., температура, химически агрессивные среды, ограниченный набор исследуемых объектов, быстрый износ, невозможность контактного режима.
Известны изображающие системы с использованием эффекта твердотельной иммерсии, в которых излучение фокусируется позади объекта с высоким показателем преломления для создания перетяжки пучка субволнового размера, определяющей пространственное разрешение системы. Для терагерцового диапазона известно устройство микроскопа с твердотельной иммерсией для получения изображений с пространственным разрешением, превышающим предел Аббе, на основе асферической линзы и кремниевой полусферы с подвижной кремниевой плоскопараллельной пластиной - держателем образца [N.V. Chernomyrdin, V.A. Zhelnov, A.S. Kucheryavenko, I.N. Dolganova, G.M. Katyba, V.E. Karasik, I.V. Reshetov, K.I. Zaytsev, "Numerical analysis and experimental study of terahertz solid immersion microscopy," Opt. Eng. 59(6), 061605 (2019)]. Широкий пучок терагерцового излучения фокусируется асферической линзой, после чего лучи нормально падают на сферическую поверхность линзы, которая, таким образом, не обладает светосилой, но позволяет повысить разрешение в плоскости изображения, совпадающей с внешней поверхностью плоскопараллельной пластины (держателем образца), до 0,15-0,4 длины волны. Известное устройство за счет наличия подвижной плоскопараллельной пластины позволяет реализовать сканирование мягких образцов без сдвигов и искажений малой перетяжкой сфокусированного пучка терагерцового излучения. Регистрация отраженного излучения происходит через элементы системы с выводом через светоделительный элемент на детектор. Применение данного устройства в силу больших поперечных габаритов входящей в оптическую систему фокусирующей асферической линзы не позволяет использовать его в устройствах эндоскопического типа.
core
Известны волноводы, передача излучения в которых происходит в пределах полой сердцевины. Такой волновод представляет собой трубку со структурированной оболочкой, в которой показатель преломления периодически меняется. Благодаря согласованной интерференции в тонких слоях оболочки осуществляется удержание передаваемого излучения внутри ничем не заполненной сердцевины. Известен полый (n=1) тефлоновый волновод для передачи ТГц излучения (волновод с единственным слоем оболочки), имеющий относительно низкую дисперсию и малые потери при передаче излучения терагерцового диапазона [прототип "Modal characteristics of antiresonant reflecting pipe waveguides for terahertz waveguiding" Chih-Hsien Lai, Borwen You, Ja-Yu Lu, Tze-An Liu, Jin-Long Peng, Chi-Kuang Sun, and Hung-chun Chang / Optics Express 18(1), 309-322 (2010)]. Излучение на выходе волновода преимущественно локализовано в окрестности оси в плоскости выходного торца. Однако в этом случае размер составляет несколько миллиметров, что превышает размеры, задаваемые дифракционным порогом.
Изобретение направлено на создание волновода для терагерцовой эндоскопии малоразмерных объектов или точечной спектроскопии в условиях агрессивных сред, исследования живых объектов, неразрушающего контроля технологических процессов.
Технический результат состоит в увеличении пространственного разрешения эндоскопической терагерцовой спектральной диагностики, расширении диапазона рабочих температур, расширении перечня возможных объектов исследования, включая живые биологические объекты.
Технический результат достигается за счет того, что в волноводе с субволновой фокусировкой для терагерцовой эндоскопии, представляющем собой полую трубку, на внешней поверхности которой имеется покрытие с малым поглощением, внутренний диаметр трубки составляет не более 6 мм, в канале на оси имеется сапфировая сферическая плосковыпуклая линза диаметром от 1 до 2 мм, направленная выпуклой частью внутрь канала; к плоской поверхности полусферы и торцу волновода прижата сапфировая плоскопараллельная пластина, общая толщина пластинки и полусферы составляет 0,75 от ее диаметра, толщина пластинки составляет не более 0,25 от диаметра линзы.
Для полого волновода с покрытием, внутренним диаметром не более 6 мм, 80 процентов энергии излучения сосредоточено в приосевой области диаметром несколько миллиметров. Установка сапфировой сферической плосковыпуклой линзы на выходе волновода позволяет дополнительно уменьшить поперечный размер пучка терагерцового излучения в плоскости заднего фокусе линзы. Сапфировая плоскопараллельная пластинка с высоким показателем преломления в терагерцовом диапазоне выступает в роли иммерсионного оптического элемента, ее передняя поверхность прижата к сапфировой сферической плосковыпуклой линзе, задняя поверхность совпадает с плоскостью изображения системы. Для указанных диапазонов размеров элементов волновода, линзы и плоскопараллельной пластины, размеры линзы настолько малы для передаваемого терагерцового излучения, что существенную роль в формировании перетяжки играют явления, обусловленные дифракцией электромагнитных волн, проходящих через линзу. Совместное действие указанных факторов делает возможной фокусировку излучения в пятне, размеры которого не превышают 0,15λ.
Изготовление всех элементов из сапфира позволяет применять устройство для работы с широким спектром объектов, в том числе биологических тканей, в различных условиях измерения, где требуется как инертность инструмента, так и его способность выдерживать высокие температуры, агрессивные среды и т.п. Кроме того, сапфировоя сферическая плосковыпуклая линза и плоскопараллельная пластина могут быть изготовлены из другого материала с удовлетворительным поглощением и высоким показателем преломления в терагерцовом диапазоне излучения, например, кремния.
Применение волновода с оболочкой из полимера позволяет улучшить пропускание волновода, повысить долю энергии излучения, распространяющегося в пределах полой части волновода.
Изобретение поясняется рисунками и примером использования.
Фиг. 1 - Схема волновода.
Фиг. 2 - Иллюстрация распределения энергии в сечении волновода (моделирование).
Фиг. 3 - Иллюстрация формирования каустики, формируемой устройством по данному изобретению (моделирование).
Схема волновода представлена на Фиг. 1. Принцип работы устройства заключается в следующем. Излучение 1, сфокусированное двояковыпуклой линзой 2 вводится в волновод 3 через диафрагму, размещенную на его входном торце. Излучение в волноводе 3 после прохождения некоторой длины волновода распространяется далее с плоским волновым фронтом преимущественно в приосевой области 4 волновода 3. В области рабочего окончания волновода 3 излучение входит преимущественно на сапфировую сферическую плосковыпуклую линзу 5, остальное излучение низкой интенсивности может поглощаться кольцевой диафрагмой 6, к задней плоской поверхности сапфировой сферической плосковыпуклой линзы 5 прижата плоскопараллельная пластина 8, плотно закрывающая выходной торец волновода 3. Лучи, прошедшие сапфировой сферической плосковыпуклой линзу формируют перетяжку 7 с поперечным размером, не превышающем 0,4λ, приходящуюся на внешнюю поверхность плоскопараллельной пластинки 8 (предметную плоскость), к которой прижат исследуемый образец 9. Излучение, отраженное и рассеянное малой областью образца 9, проходит систему в обратном направлении, выводится через светоделительный элемент 10 и регистрируется датчиком (Ячейка Голея) 11 с временной селекцией с собирающей линзой 12. Таким образом, производится измерение оптических свойств малых объемов образцов (100..800 мкм) с пространственным разрешением выше, чем разрешение, определяемое дифракционным пределом Аббе в диапазоне терагерцового излучения.
Действие устройства может быть продемонстрировано на примере частного случая реализации изобретения для работы с излучением с длиной волны λ=1,7 мм (0,51 ТГц).
Волновод с субволновой фокусировкой для терагерцовой эндоскопии представляет собой в этом случае сапфировую трубку, выращенную методом Степанова с внешним и внутренним диаметрами - 7 и 6 мм соответственно и длиной 150 мм; на внешней поверхности волновода имеется оболочка из фторопласта, толщиной 0,3 мм. На входном торце волновода располагается диафрагма с центральным отверстием диаметром 2 мм. Распределение энергии терагерцового излучения в волноводе в поперечном сечении представлено на Фиг. 2.
К выходному торцу волновода прижата сапфировая плоскопараллельная пластина, толщиной 0,3 мм, на оси которой имеется сапфировая сферическая плосковыпуклая линза с диаметром кривизны 2 мм. Общая толщина линзы и пластины составляет 1,5 мм. При указанных размерах элементов, проходящее излучение частично преломляется, частично дифрагирует на полусферической частице, что приводит к локальному усилению плотности мощности излучения в малом объеме с полушириной распределения плотности энергии в пределах области, диаметром не более 0,25 мм (Фиг. 3), пространственное положение которого соответствует задней поверхности плоскопараллельной пластины, контактирующей с исследуемым объектом.