СУПЕРЛИНЗА ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ РАСПРЕДЕЛЕНИЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ

Полезная модель - суперлинза из метаматериала для передачи распределений электромагнитного поля со сверхразрешением от удаленных источников. Она может быть использована для передачи изображений с пространственным разрешением много меньше длины волны, т.е. не ограниченным дифракционным пределом, а также для передачи пространственных распределений электромагнитного поля.
На основе суперлинз из метаматериалов может быть создан наноскоп, аналог микроскопа, позволяющий различать детали объектов, находящиеся на расстояниях несколько десятков нанометров друг от друга (S.С.Kher, Y.М.Liu, L.W.Martin, P. Yu, M.Gajek, S.-Y.Yang, C.-H.Yang, M.Т.Wenzel, R.Jacob, H.-G. von Ribbeck, et al., Nature Communications 2, 249 (2011); Y. Liu and X. Zhang, Chemical Society Reviews 40, 2494 (2011)). Суперлинзы из метаматериалов, работающие в диапазоне радиочастот могут быть использованы для улучшения чувствительности и разрешающей способности магнитно-резонансных томографов (МРТ) (X.Radu, A.Lapeyronnie, and С.Craeye, Electromagnetic, Special issue on Metamaterials 28, 531 (2008); M.J.Freire, R.Marques, and L.Jelinek, Applied Physics Letters 90, 231108 (2008)).
В будущем на основе наноструктурированных метаматериалов возможно создание оптических процессоров и элементов памяти, включая такие компоненты как оптические наночипы (наносхемы). На базе метаматериалов возможно создание покрытий, позволяющих делать объекты невидимыми (J.Pendry, D.Schurig, and D.R.Smith, Science 312, 1780 (2006)), что может иметь значение для военных приложений.
Известна суперлинза из метаматериала, состоящая из металлических проводов, помещенных в диэлектрик (U.Srinivas Sridhar (Newton, MA and U. Wentao Lu (Malden, MA (2009) URL http://www.freepatentsonline.com/y2009/0040132.html.), Данная суперлинза предназначена для работы в ближнем инфракрасном, видимом и ближнем ультрафиолетовом диапазоне волн. Принцип работы суперлинзы основан на отрицательном преломлении и усилении ближнего поля. Однако, изображение, получаемое при помощи известной суперлинзы из метаматериала, является не идеальным. Искажение изображения объясняется тем, что у данной суперлинзы изочастотный контур структуры является гиперболой. Сверхразрешение такой суперлинзы практически ограничено на уровне одной трети - одной четверти длины волны (L.Нu and Z.Lin, Physics Letters A313, 316 (2003)).
Наиболее близким аналогом предлагаемой полезной модели и выбранным в качестве прототипа является суперлинза для передачи распределений электромагнитного поля (Р.A.Belov, С.R.Simovski, and P.Ikonen, Phys.Rev. В 71, 193105 (2005)). Известная суперлинза для передачи распределений электромагнитного поля выполнена из метаматериала, представляющего собой упорядоченную структуру N размещенных в диэлектрике и расположенных на одинаковом расстоянии, равном периоду структуры, параллельных друг другу и не соприкасающихся металлических проводов цилиндрической формы, причем поперечное сечение структуры проводов образует квадратную решетку
Заявляемая суперлинза решает задачу передачи со сверхразрешением распределений электромагнитного поля объектов, удаленных от передней поверхности суперлинзы на расстояние больше периода структуры.
Поставленная задача решается следующим образом.
В суперлинзе для передачи распределений электромагнитного поля, выполненной из метаматериала, представляющего собой упорядоченную структуру N размещенных в диэлектрике и расположенных на одинаковом расстоянии, равном периоду структуры а, параллельных друг другу и не соприкасающихся металлических проводов цилиндрической формы, поперечное сечение структуры проводов которой образует квадратную решетку, диаметр провода больше полупериода структуры а, длину провода l определяют из соотношения , где N - целое число, а - длина волны на рабочей частоте суперлинзы для передачи распределений электромагнитного поля, а k - коэффициент, равный 0.97-0.98, причем толщина скин-слоя металла проводов меньше радиуса провода, а тангенс угла потерь диэлектрика на рабочей частоте не более 0.01/N.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется следующим. В основе работы данной линзы лежит метод каналирования изображения. Метаматериал, представляющий собой упорядоченную структуру, заполняет пространство между плоскостью объекта и плоскостью изображения. Тем самым исключается потеря информации, заключенной в эванесцентных волнах, из-за затухания в свободном пространстве. Будучи преобразованной в распространяющиеся волны, информация о деталях много меньших длины волны может быть передана с помощью суперлинзы из метаматериала на необходимое, в том числе очень большое, расстояние. В режиме каналирования метаматериал, представляющий собой упорядоченную структуру, работает как массив волноводов, который передает распределение поля в плоскости источника, находящегося на одной поверхности слоя (или очень близко к ней), на другую поверхность. Тем самым реализуется многоканальный "телеграф" из метаматериала, способный параллельно передавать различные детали объекта с разрешением, которое ограничено не длиной волны, а дискретностью внутренней структуры суперлинзы из метаматериала.
Предлагаемая полезная модель является суперлинзой на основе среды из металлических параллельных друг другу проводов, помещенных в диэлектрик, причем диаметр провода больше полупериода структуры (в дальнейшем такие провода называем "толстыми"). В выбранном прототипе использовались "тонкие" провода. При увеличении диаметра проводов наблюдаются новые полезные эффекты, а именно существует такой диаметр провода, при котором передавать изображение со сверхразрешением становится возможным даже в том случае, когда предмет удален от поверхности структуры на расстояние больше, чем период структуры. Это принципиально невозможно для суперлинзы из «тонких» проводов. На расстоянии большим, чем период структуры от поверхности суперлинзы затухание эванесцентных волн ведет к потере части оптической информации о субволновых деталях объекта. Так как плоскость изображения удалена от передней поверхности суперлинзы на такое же расстояние, как плоскость предмета удалена от задней поверхности суперлинзы, на расстоянии от задней поверхности суперлинзы до изображения оптическая информация также теряется и сверхразрешение оказывается недостижимым.
Для суперлинзы из «толстых» проводов сверхразрешение (т.е. разрешение меньше длины волны) достижимо и в этом случае. Причина эффекта заключается в смещении эффективной границы метаматериала из «толстых» проводов по отношению к геометрической поверхности слоя на расстояние порядка периода структуры. Как передняя, так и задняя эффективные оптические поверхности (т.е. поверхности, на которых происходит преломление волн) в случае массива из "толстых" проводов оказываются сдвинутыми в наружные стороны. Этот эффект оказывается максимальным для некоторого оптимального диаметра провода большего полупериода структуры.
В результате экспериментальных исследований выявлено, что заявляемый эффект, а именно, передача изображения со сверхразрешением становится возможным даже в том случае, когда предмет удален от поверхности суперлинзы на расстояние больше, чем период структуры а, достигается при заявляемых соотношениях, а именно при диаметре провода больше полупериода структуры а, длине провода l, определяемого из соотношения , где N - целое число, λ - длина волны на рабочей частоте суперлинзы для передачи распределений электромагнитного поля, a k - коэффициент, равный 0.97-0.98, толщине скин-слоя металла проводов меньше радиуса провода, тангенсе угла потерь диэлектрика на рабочей частоте не более 0.01/N.
Выбор N зависит от размера предмета изображения, которое необходимо передать.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 - структура суперлинзы, на фиг.2 (а) - поперечные компоненты волнового вектора убывающие, на фиг.2 (б) - поперечные компоненты волнового вектора возрастающие.
Суперлинза для передачи распределений электромагнитного поля из метаматериала, представляет собой упорядоченную структуру N металлических проводов 1, l - длина провода, а - период структуры.
На фиг.2 представлена зависимость при подобранных значениях kd=0.98, (k - волновой вектор), где возможно заметить немаловажную особенность - вместо убывания коэффициента прохождения, в отличии от случая kd=1, коэффициент прохождения Т близок или больше 1 при любом kz, если радиусы больше 0,1 см и меньше 0.4 см, как показано на фиг.2(а) Коэффициенты отражения умеренно малы, и, как и в случае kd=l наблюдается оптимальный, наименьший коэффициент отражения, при радиусе 0.30 см. На фиг.2(b) При радиусах 0.45 и 0.05 замечается немаловажный факт похожего на экспоненциальное возрастание функциональных характеристик линзы. Это означает, что источник возможно установить на определенном от нее расстоянии, т.е. она позволяет не только передавать изображение, но и детектировать его от удаленного источника. Данное свойство выгодно отличает предлагаемую модель от прототипа, так как не всегда есть возможность расположить объект на поверхности суперлинзы.
Работа линзы заключается в том, что все гармоники, включая эванесцентные волны внутри суперлинзы становятся распространяющимися и без потерь доходят до задней поверхности суперлинзы, формируя в плоскости изображения распределение электромагнитного поля идентичное плоскости предмета.
В качестве примера конкретного выполнения предлагается суперлинза со следующими параметрами.
Суперлинза из метаматериала, представляющего собой упорядоченную структуру из 441 медных провода, размещенных в диэлектрике, в качестве которого использовали пенополистирол и расположенных на одинаковом расстоянии, равном периоду структуры а=1 см, параллельных друг другу и не соприкасающихся проводов цилиндрической формы, причем поперечное сечение структуры проводов образует квадратную решетку, радиус провода 0,1 см, длина провода l=100 см, толщина скин-слоя 2.02 мкм.
Суперлинза для передачи распределений электромагнитного поля со сверхразрешением от удаленных источников может быть использована для передачи изображений с пространственным разрешением много меньше длины волны, т.е. не ограниченным дифракционным пределом, а также для передачи пространственных распределений электромагнитного поля.