УСТРОЙСТВО КАНАЛИЗАЦИИ И ТРАНСПОРТИРОВКИ ЭНЕРГИИ НА ОСНОВЕ ФОТОННЫХ СТРУЙ

Полезная модель относится к устройствам оптических, инфракрасных (ИК) и субмиллиметровых волн, в частности к микродатчикам и устройствам линий передачи оптических, ИК и терагерцовых волн и может быть использовано для передачи (канализации) энергии в различных датчиках неразрушающего контроля, биомедицинских исследованиях с пространственным сверхразрешением и высокой плотностью энергии.
Из технической литературы известно, что для канализации коротковолнового излучения применяются: металлические полые волноводы; линии поверхностной волны - диэлектрические волноводы; квазиоптические линии, состоящие из передающих и приемных апертур [Техника субмиллиметровых волн. Под ред. Р.А. Валитова. Сов. Радио, 1969, 480 с., с. 249-298.]. В металлических полых волноводах с увеличением частоты излучения электромагнитной волны быстро увеличиваются погонные потери. Например, на длине волны λ=0.2 мм потери возрастают до величины 120 дБ/м [Техника субмиллиметровых волн. Под ред. Р.А. Валитова. Сов. Радио, 1969, 480 с., с. 250]. Затухание в металлических волноводах растет пропорционально частоте в степени три вторых, что делает невозможным их применение в ИК- и терагерцовом диапазоне. В диэлектрических волноводах, затухание растет пропорционально частоте излучения электромагнитной волны [Техника субмиллиметровых волн. Под ред. Р.А. Валитова. Сов. Радио, 1969, 480 с., с. 257].
Известны устройства канализации оптического излучения, выполненные в виде сферических или цилиндрических частиц, формирующих фотонные струи. Известный механизм формирования фотонной струи при падении плоского волнового фронта на криволинейную поверхность диэлектрического цилиндра [Z. Chen and A. Taflove. Photonic nanojet enhancement of backscattering of light by nanoparticles: a potential novel visible-light ultramicroscopy technique // OPTICS EXPRESS, 5 April 2004, Vol. 12, No. 7, p. 1214], [I. Mahariq, H. Kurt. On- and off-optical-resonance dynamics of dielectric microcylinders under plane wave illumination // Journal of the Optical Society of America B, Vol. 32, No. 6, pp. 1022-1031 (June 2015)] или сферы [A. Heifetz, Soon-Cheol Kong, A.V. Sahakian, A. Taflove, and V. Backman. Photonic Nanojets // Journal of Computational and Theoretical Nanoscience, Vol. 6, pp. 1979-1992 (2009)] состоит в том, что цилиндр (двумерный случай) или сфера (трехмерный случай) играют роль микролинз [D. Maderankova et al. Numerical modeling of photonic nanojet behind dielectric microcylinder // Proc. of the World Congress on Medical Physics and Biomedical E ngineering, V. 25, PT 4: Image P rocssing, Biosignal P rocessing, Modelling and Simulation, Biomechanics, Volume: 4, 2014] и фазовый фронт падающего на них излучения искажается благодаря явлению рефракции на этих частицах. В результате внутри такой частицы формируется вогнутый волновой фронт, который при схождении на ось симметрии фокусируется в локальную область - фотонную струю.
Однако длина фотонной струи составляет не более нескольких длин волн и отдельные частицы сферической или цилиндрической формы не позволяют осуществить канализацию и транспортировку электромагнитной волны на большее расстояние.
Ближайшим техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является устройство канализации и транспортировки энергии на основе фотонных струй, состоящее из источника излучения, множества оптически прозрачных сфер или цилиндров, расположенных вплотную друг к другу своими криволинейными поверхностями в направлении распространения излучения [Patent US N 8554031, G02B 6/00, B01J 19/12. Focusing multimodal optical microprobe devices.]. При этом существенно, что сферы или цилиндры расположены вплотную друг к другу попарно и тем самым формирует «фотонную струю» с высоким пространственным разрешением, т.е. порядка λ. Излучение периодически фокусируется вдоль цепочки сфер или цилиндров, сгруппированных попарно, что приводит к появлению периодических оптических мод. Для получения фотонных струй используются сферы или цилиндры диаметром от 4λ до 20λ и коэффициентом преломления от 1.4 до 1.71 [S. Yang, V.N. Astratov. Photonic nanojet-induced modes in chains of size-disordered microspheres with an attenuation of only 0.08 dB per sphere // Appl. Phys. Lett. 92, 261111 920080.].
Недостатками такого устройства при использовании его в коротковолновой части терагерцового диапазона длин волн, ИК и оптического диапазонов является большие поперечные размеры, значительная общая толщина диэлектрика в направлении распространения излучения и связанные с этим потери энергии как в материале линз, так и на переотражение излучения от множества границ поверхностей линз, сложность устройства. Кроме того, необходимо технологически обеспечить непосредственный физический контакт между соседними сферами или цилиндрами (п. 9 формулы изобретения по Патенту US N 8554031) со стороны их криволинейной поверхности, поскольку передача фотонной струи от одной частицы к другой происходит в известном устройстве исключительно через диэлектрический материал этих сферических или цилиндрических частиц [А.М. Kapitonov and V.N. Astratov. Observation of nanojet-induced modes with small propagation losses in chains of coupled spherical cavities / Optics Letters, Vol. 32, Issue 4, pp. 409-411 (2007)].
Технологически и технически осуществить устойчивый и повторяемый контакт между цилиндрическими или сферическими частицами достаточно сложно, а качество контакта влияет на условия и эффективность транспортировки энергии [Tadashi Mitsui, et al. Influence of micro-joints formed between spheres in coupled-resonator optical waveguide // OPTICS EXPRESS, 24 October 2011, Vol. 19, No. 22, p. 22258].
Задачей предполагаемой полезной модели является создание устройства канализации и транспортировки энергии на основе фотонных струй терагерцового, ИК и оптического диапазона, отличающегося малыми поперечными размерами, сравнимых с длиной волны излучения в свободном пространстве, минимальной толщиной диэлектрических линз вдоль направления распространения энергии, простотой конструкции линз при снижении суммарных потерь на отражение излучения от границ линз.
Технический результат выражается в том, что устройство канализации и транспортировки энергии на основе фотонных струй имеет меньшие поперечные размеры порядка длины волны в свободном пространстве, минимальную толщину диэлектрических линз, порядка длины волны в свободном пространстве, меньшее количество линз на единицу длины при меньших потерях канализируемого излучения и более простую конструкцию.
0
0
Сущность полезной модели заключается в том, что в устройстве канализации и транспортировки энергии на основе фотонных струй, включающим в себя набор диэлектрических линз сферической или цилиндрической формы, формирующих фотонные струи и расположенных вдоль направления распространения волн, согласно полезной модели, линзы пространственно разнесены между собой, и выполнены из диэлектрика с относительным коэффициентом преломления N/N (N коэффициент преломления окружающей среды) лежащем в диапазоне от 1.2 до 1.95, а расстояние между соответствующими линзами выбирается в диапазоне от L=1.8D до 3.2D, при диаметре линзы не менее длины волны излучения в окружающей среде, где D - диаметр линзы. При этом линзы сгруппированы в блок по три линзы. При этом материал линз может иметь одинаковый показатель преломления. При этом материал линз может иметь различный показатель преломления. При этом все линзы могут иметь одинаковый размер. При этом часть линз располагается наклонно к направлению распространения волн. При этом все линзы могут быть расположены на подложке.
Наличие признаков, отличающих полезную модель от прототипа, позволяет сделать вывод о соответствии его критерию «новизна».
0
0
Новые признаки: линзы пространственно разнесены между собой, выполнены из диэлектрика с относительным коэффициентом преломления N/N (N коэффициент преломления окружающей среды) лежащем в диапазоне от 1.2 до 1.95, а расстояние между соответствующими линзами выбирается в диапазоне от L=1.8D до 3.2D, где D - диаметр линзы, не выявлены в технических решениях аналогичного назначения. Признак - линзы сгруппированы по три линзы также не выявлен в технических решениях аналогичного назначения. На этом основании можно сделать вывод о соответствии заявляемой полезной модели условию «изобретательский уровень».
На фиг. 1 представлена схема устройства канализации и транспортировки энергии на основе фотонных струй, выполненная в соответствии с прототипом (заимствовано из статьи [Chen Z, Taflove A, Backman V. Highly efficient optical coupling and transport phenomena in chains of dielectric microspheres. Opt Lett 2006; 31 (3): 389-91]). На фиг. 2 представлена схема устройства канализации и транспортировки энергии на основе фотонных струй согласно прототипа (а) и заявляемой полезной модели на основе цилиндров (б) и сфер (в). На фиг. 3 приведен результат моделирования распространения электромагнитной волны в устройстве канализации и транспортировки энергии на основе фотонных струй с одной (а), двумя (б) и тремя (в) линзами, разнесенными пространственно: D - диаметр сферической или цилиндрической линзы, L - расстояние между ними.
Устройство канализации и транспортировки энергии на основе фотонных струй (см. фиг. 2) состоит из источника излучения 1, линз в виде диэлектрических цилиндров или сфер 2, формирующих фотонные струи 3, промежуток между цилиндрами или сферами L, имеющих диаметр D.
Работает устройство следующим образом. При падении электромагнитной волны 1 на линзу в виде диэлектрического цилиндра или сферы 2, электромагнитная волна проникает внутрь диэлектрического материала. Поскольку излучение падает на криволинейную поверхность цилиндра или сферы 2, наблюдается эффект фокусировки (схождения волны) в области теневой поверхности цилиндра или сферы. То есть реализуется рефракционная фокусировка падающего на цилиндр или сферу излучения.
0
0
Экспериментально было установлено, что диэлектрические линзы - цилиндры 2 или сферы 2, выполненные из диэлектрика с относительным коэффициентом преломления N/N (N коэффициент преломления окружающей среды) лежащем в диапазоне от 1.2 до 1.95, формируют на выходе из цилиндра или сферы фотонную струю. Фотонная струя представляет собой область с повышенной электромагнитной энергией с поперечным размером менее 0.5λ и продольным размером порядка (2-3)λ, что позволяет использовать сформированную струю в квазиоптических датчиках неразрушающего контроля, канализации энергии и биомедицинских исследованиях с пространственным сверхразрешением и высокой плотностью энергии. При величине оптического контраста (отношения коэффициента преломления материала линзы к коэффициенту преломления материала окружающей среды, лежащего вне указанного диапазона от 1.2 до 1.95, фотонная струя на выходе цилиндра или сферы не формируется и уменьшается эффективность канализации энергии. Располагая набор цилиндров или сфер пространственно разнесенных между собой на расстояние L=1.8D до 3.2D, где D - диаметр линзы, и с оптимальным расстоянием 2 между цилиндрами равном L=2.0D обеспечивается эффективная канализация электромагнитного излучения, при этом каждой третьей линзой, выполненной в виде цилиндра или сферы формируется на выходе фотонная струя (На фиг. 3 показаны результаты моделирования распространения плоской волны в системе из цилиндрических линз с параметрами: коэффициент преломления материала линзы равен 1.33, диаметр линзы равен 10 длин волн, расстояние между линзами равно 2 диаметрам линзы. Видно, что после первой и третьей линзы формируется фотонная струя, свидетельствующая об эффективной канализации и транспортировке энергии, а после второй линзы фотонная струя не формируется. В устройстве согласно прототипа (фиг. 1) эффективная транспортировка энергии осуществляется только при условии попарной группировке линз, расположенных вплотную друг к другу). Указанное выше расстояние между цилиндрами или сферами, как показали исследования, соответствует условию резонанса Фабри-Перо, что способствует увеличению эффективности канализации энергии. При уменьшении или увеличения указанного диапазона расстояний L между набором диэлектрических линз 2 происходит уменьшение протяженности фотонной струи, она начинает формироваться внутри линзы 2, уменьшая эффективность канализации энергии.
Поскольку передача энергии от линзы к линзе осуществляется через среду (воздух), то для получения фотонной струи на выходе устройства их необходимо, как показали исследования, приведенные на фиг. 3, группировать по три линзы. Кроме того, пространственное разнесение линз позволяет значительно упростить устройство, поскольку отпадает необходимость жесткого контакта между соседними линзами, их сварка, а количество линз на единицу длины существенно уменьшается.
Диаметр линз как цилиндрической, так и сферической формы снизу ограничен величиной, равной длине волны в пространстве, окружающем линзу. В этом случае, как показали вычислительные эксперименты на основе строгого решения уравнений Максвелла, при соблюдении оптического контраста (отношение коэффициента преломления материала линзы к коэффициенту преломления материала окружающей среды), формируются фотонные струи. Поэтому достигается уменьшение поперечных размеров устройства по сравнению с прототипом, где минимальный размер сферы (цилиндра) составляет 4 длины волны [S. Yang, V.N. Astratov. Photonic nanojet-induced modes in chains of size-disordered microspheres with an attenuation of only 0.08 dB per sphere // Appl. Phys. Lett. 92, 261111 920080]. Максимальный диаметр линзы может достигать больших значений - до 100 длин волн и выше и ограничивается практическим применением устройства.
Эти результаты убедительно демонстрируют эффективность предложенного технического решения для канализации и транспортировки электромагнитной энергии. Заметим, что постоянная потерь β в диэлектрике при распространении в нем электромагнитной энергии может быть оценена по следующему выражению [Зелкин Е.Г., Петрова Р.А. Линзовые антенны. М., Сов. Радио, 1974, 280 с.] и пропорциональна толщине линзы:
β=(27.3Ntgδ)H/λ, дБ,
где tgδ - тангенс угла потерь диэлектрика на рабочей частоте, Н - толщина линзы.
Поскольку диэлектрические цилиндры - линзы пространственно разнесены между собой, уменьшается общее количество линз на единицу длины устройства канализации и транспортировки энергии на основе фотонных струй, уменьшается количество поверхностей линз на единицу длины и тем самым снижаются потери на отражение излучения между линзам.
В устройстве канализации и транспортировки энергии на основе фотонных струй набор линз 2 может быть выполнен из диэлектрика имеющего одинаковую величину коэффициента преломления материала, а так же набор линз 2 может быть выполнен из диэлектрика имеющего различную величину коэффициента преломления материала в указанном диапазоне.
В устройстве канализации и транспортировки энергии на основе фотонных струй набор линз 2 может быть выполнен одного размера. Проведенные исследования показали, что формирование струй на основе диэлектрических цилиндров или сфер 2 возможно не только на основной, но и других частотных гармониках, а также при наклонном падении плоского волнового фронта.
Расположение части линз 2 наклонно к направлению распространения волны 1 позволяет изменять направление канализации и транспортировки энергии. Расположение всех линз на подложке позволяет наиболее просто практически реализовать устройство.
Предлагаемое устройство канализации и транспортировки энергии на основе фотонных струй прошло экспериментальную проверку и доступно для методов вычислительного эксперимента.
Таким образом решается задача создания устройства канализации и транспортировки энергии на основе фотонных струй террагерцового, ИК и оптического диапазона с малыми поперечными размерами, минимальной толщиной диэлектрических линз, сравнимых с длиной волны излучения в свободном пространстве, с уменьшенными потерями на отражение и простотой конструкции.