УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ СУБВОЛНОВЫХ ЧАСТИЦ

Полезная модель относится к области оптической диагностики физических сред и может быть использовано в приборах, предназначенных для измерения микро- и наночастиц, в частности, их размеров.
Одно из возможных конкретных направлений промышленного применения данной полезной модели - обеспечение широкого круга задач, связанных с технологическим контролем параметров различных порошков (в том числе нанопорошков) в процессе их производства, проведение экспресс-анализа порошков, используемых для изготовления прессованных материалов, измерение и контроль параметров растворов, содержащих взвешенные объекты, в том числе обширной номенклатуры биологических и фармацевтических растворов.
Известны устройства измерения параметров микрочастиц оптикоэлектронными методами, описанные, например, в [С.П. Беляев, Н.К. Никифорова, В.В. Смирнов, Г.И. Щелчков. Оптико-электронные методы изучения аэрозолей - М.: Энергоиздат, 1981. - 232 с.]. Так оптические счетчики частиц состоят из источника оптического излучения, приемника излучения и системы линз, при этом освещающая линза фокусирует излучение в измерительный объем, а собирающая линза фокусирует излучение на фотоприемник из области фокусировки освещающей линзы [С.П. Беляев, Н.К. Никифорова, В.В. Смирнов, Г.И. Щелчков. Оптико-электронные методы изучения аэрозолей - М.: Энергоиздат, 1981, с. 37, 65, 69, 84, 116]. При этом в качестве источника излучения могут применяться источники белого света (например, датчик CAES, нефелометр «Синклер-Феникс») или лазерные источники (лазерный счетчик типа FSSP).
Конструкция освещающей и собирающей линзовых систем в значительной степени определяют чувствительность, разрешающую способность и универсальность фотоэлектрического счетчика.
Известно устройство для измерения размеров микро- и нано- частиц по патенту WO 2014065694 А1, состоящее из последовательно расположенных источника излучения преимущественно плоской волны, устройства фокусировки излучения, выполненного в виде линзы, регистрируемой субволновой частицы, расположенной в области фокуса устройства фокусировки излучения и устройства регистрации рассеянного поля регистрируемой частицы.
Аналогичное устройство описано в [патент РФ 2370752, G01N 15/02]. Точность определения размеров микро- и нано-частицы в известных устройствах определяется, в том числе, размером области фокусировки фокусирующего устройства, выполненного в виде линзы. Однако в силу дифракционной природы линза не может сфокусировать излучение в область пространства, с поперечным размером менее дифракционного предела.
Преодолеть дифракционный предел в оптике можно различными способами, например, с помощью эффекта фотонной наноструи (например, см. A.Heifetz et al. Experimental confirmation of backscattering enhancement induced by a photonic jet // Appl. Phys. Lett, 89, 221118 (2006)). Поперечный размер фотонной наноструи составляет 1/3 … 1/4 длины волны излучения, что меньше дифракционного предела классической линзы.
Известно устройство для регистрации субволновых частиц и принятое в качестве прототипа, состоящее из последовательно расположенных источника излучения преимущественно плоской волны, устройства субволновой фокусировки излучения, выполненного в виде диэлектрической частицы сферической или цилиндрической формы, регистрируемой субволновой частицы, расположенной в области фокуса устройства субволновой фокусировки излучения и устройства регистрации рассеянного поля регистрируемой частицы.
Такое устройство описано в ряде работ, например, Li Zhao, and Chong Kim Ong. Direct Observation of Photonic Jets and Corresponding Backscattering Enhancement at Microwave frequencies //
https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/0903/0903.1693.pdf; Zhigang Chen, Allen Taflove, and Vadim Backman. Photonic nanojet enhancement of backscattering of light by nanoparticles: a potential novel visible-light ultramicroscopy technique // Optics Express, Vol. 12, Issue 7, pp. 1214-1220 (2004); Xu Li, Zhigang Chen, Allen Taflove, Vadim Backman. Optical analysis of nanoparticles via enhanced backscattering facilitated by 3-D photonic nanojets // Optics Express, v. 13, No. 2, p. 526(2005).
Принципиальным недостатком известного устройства является невозможность сфокусировать излучение в область пространства с поперечным размером менее 1/3 … 1/4 длины волны излучения, что ограничивает точность измерения размеров частицы соответствующей величиной.
Задача настоящей полезной модели - уменьшение поперечного размера области фокусировки устройства для регистрации субволновых частиц.
Технический результат от использования этой полезной модели - увеличение точности определения размеров наночастиц и увеличение диапазона измеряемых размеров вплоть до долей нанометра.
Задача достигается за счет того, что в устройстве для регистрации субволновых частиц, состоящем из последовательно расположенных источника излучения преимущественно плоской волны, устройства субволновой фокусировки излучения, регистрируемой субволновой частицы, расположенной в области фокуса устройства субволновой фокусировки излучения и устройства регистрации рассеянного поля регистрируемой частицы, новым является то, что устройство субволновой фокусировки излучения выполнено в виде фотонного кристалла, имеющего прямоугольную входную и выходную апертуры, при этом вдоль оптической оси фотонного кристалла выполнено субволновое отверстие с длиной не более длины фотонного кристалла и доходящей до его фокусной плоскости, а градиент эффективного показателя преломления фотонного кристалла в поперечном направлении выполнен спадающим к его краям.
Для получения наиболее острой фокусировки следует фокусировать свет вблизи раздела двух сред, контраст относительного показателя преломления которых (отношение показателя преломления материала оптического элемента к показателю преломления окружающей среды) более 1. Вблизи поверхности раздела сред возбуждаются поверхностные световые волны, конструктивная интерференция которых может приводить к уменьшению фокусного пятна значительно ниже дифракционного предела.
Такие оптические элементы (линзы) могут быть созданы с помощью аппроксимации градиентного показателя преломления дифракционной субволновой микроструктурой, например, с помощью фотонных кристаллов [Qingyi Zhu, Lei Jin, and Yongqi Fu. Graded index photonic crystals: A review // Ann. Phys. (Berlin) 527, No. 3-4, 205-218 (2015) /DOI 10.1002/andp. 201400195 (http://onlinelibrary. wiley. com/doi/10.1002/andp.201400195/pdf)]
В случае наличия отверстия в виде щели ТМ-поляризованная волна может распространяться в ней как в волноводе, а фокусировка света градиентной линзой сосредоточит энергию поля внутри щели в фокусной плоскости. Ширина фокусного пятна, сформированного на границе линзы, будет близка к ширине щели, что позволит создавать планарные линзы со сколь угодно малым поперечным размером области фокусировки (фокуса). Чем уже щель, тем уже фокус, но и тем меньше интенсивность света и количество световой энергии в фокусе.
Качественно эффект локализации поля можно пояснить следующим образом. Рассмотрим тонкий электропроводный лист, установленный поперек прямоугольного волновода с размерами а и b. Пусть в нем параллельно его широкой стороне выполнено отверстие в виде щели с размерами шириной b' и высотой а'. Тогда если выполняется соотношение
то при размере щели b' стремящейся к 0, значение длины волны, определенной из указанного соотношения, является конечной величиной. Это означает, что даже очень узкая щель будет прозрачной на определенной длине волны.
Длина щели Н (вдоль оси распространения излучения) может быть как равна длине линзы, так и быть меньше ее. Такое устройство субволновой фокусировки излучения (микролинза) сохраняет свою работоспособность, если щель будет доходить до выходной апертуры линзы, а ее ширина будет составлять десятые доли длины волны света в материале, из которого изготовлена микролинза.
Устройство субволновой фокусировки излучения с градиентным показателем преломления с субволновым на оси симметрии отверстием может быть создано различными способами. Например, это может быть как микролинза с настоящим градиентным распределением показателя преломления (например, созданная комбинацией напыления различных материалов), так и с кусочно-постоянным распределением показателя преломления, например, имеющая вид бинарной дифракционной решетки или фотонного кристалла (с квадратными или круглыми отверстиями), средний показатель преломления которого повторяет градиентный аналог. Изготовить микролинзу можно с помощью технологии травления кремния после нанесения на него маскирующего слоя резиста с заданным микрорельефом (электронная литография).
На Фиг. 1 показана схема устройства для регистрации субволновых частиц: 1 - источник излучения, 2 - устройство субволновой фокусировки излучения, 3 - регистрируемая субволновая частица, расположенная в фокусе 4 устройства субволновой фокусировки излучения, 5 - устройство регистрации рассеянного поля регистрируемой частицы 3.
На Фиг. 2 приведен внешний вид устройства субволновой фокусировки излучения в виде градиентного фотонного кристалла с узкой щелью.
На Фиг. 3 показано распределение интенсивности поля для устройства субволновой фокусировки излучения в виде градиентного фотонного кристалла: а) градиентный фотонный кристалл с отверстием в виде щели, b) -градиентный фотонный кристалл без щели, с) узкая щель без фотонного кристалла.
Устройство работает следующим образом. Источник электромагнитного излучения 1 формирует волну с плоским фронтом, которая падает на устройство субволновой фокусировки излучения 2. Устройство 2 формирует «фотонную струю» 4 с поперечными размерами существенно менее дифракционного предела. Устройство субволновой фокусировки излучения 2 может быть выполнено в виде градиентного фотонного кристалла с отверстием в виде узкой щели с длиной не более устройства фокусировки 2 и доходящей до его фокусной плоскости, широкая сторона которой расположена перпендикулярно падающему излучению, а градиент эффективного показателя преломления устройства фокусировки 2 выполненного в виде фотонного кристалла в поперечном направлении выполнен спадающим к его краям.
При попадании субволновой частицы 3 в область фокусировки излучения 4, происходит взаимодействие сфокусированного электромагнитного поля 4 с частицей 3 и рассеянное поле частицей 3 регистрируется устройством 5. по параметрам рассеянного поля судят о характеристикам частицы 3.
Из приведенного на Фиг. 3 примера видно, что устройство субволновой фокусировки излучения в виде градиентного фотонного кристалла с отверстием в виде щели формирует узкое фокусное пятно с заданной шириной (при прочих равных условиях) в отличие от простых градиентных и известных фокусирующих устройств. Полученное пятно с шириной около 1/75 длины волны не может быть получено с помощью известных устройств, выполненных согласно аналогов и прототипа.
Эксперименты на основе строго решения уравнений Максвелла показывают, что подбирая длину щели Н, можно значительно увеличить интенсивность (мощность) в фокусе линзы и даже создать микролинзу, у которой одновременно и ширина фокусного пятна меньше, и эффективность фокусировки света выше аналогичной микролинзы без щели.