Устройство для формирования фотонной струи

Полезная модель относится к области оптического приборостроения и относится к диэлектрическим фокусирующим устройствам, предназначенным, в частности, для фокусировки электромагнитного излучения в локальную область с субдифракционными размерами.
В настоящее время наблюдается стойкая тенденция к миниатюризации устройств детектирования сигналов, особенно дальнего ИК и терагерцового диапазона, основанных на дифракционных и интерференционных принципах, и интегрированных в единый блок (ЧИП).
Известно устройство для формирования фотонной струи, обладающей свойствами сверхразрешения, состоящее из источника излучения и слабопоглощающей диэлектрической частицы с диаметром, сравнимым с длиной волны падающего излучения и расположенной вдоль направления распространения излучения [Гейнц Ю.Э., Земляное А.А., Панина Е.К. Сравнительный анализ пространственных форм фотонных струй от сферических диэлектрических микрочастиц // Оптика атмосферы и океана. 2012. Т. 25, №5, С. 417-424]. При этом диэлектрическая частица выполнена в виде сфероида.
Фотонная струя возникает в области теневой поверхности диэлектрических микросферических частиц - в т.н. ближней зоне дифракции - и характеризуется сильной пространственной локализацией и высокой интенсивностью оптического поля в области фокусировки.
Известное устройство формирует фотонную струю вдоль направления падения излучения в режиме «на прохождение» (т.е. область формирования фотонной струи находится с противоположной стороны диэлектрической частицы относительно источника излучения).
Позднее возможность получения фотонных наноструй была изучена для диэлектрических осесимметричных тел, например, эллиптических наночастиц [Минин И.В., Минин О.В. Квазиоптика: современные тенденции развития - Новосибирск: СГУГиТ, 2015. - 163 с.; T. Jalalia and D. Erni. Highly confined photonic nanojet from elliptical particles // Journal of Modern Optics, Vol. 61, No. 13, 1069-1076 (2014).], многослойных слоисто-неоднородных микросферических частиц с радиальным градиентом коэффициента преломления [ Ruiz and Jamesina J. Simpson. Detection of embedded ultrasubwavelength-thin dielectric features using elongated photonic nanojets // 2 August 2010 / Vol. 18, No. 16 / OPTICS EXPRESS 16805], а также полусфер [Cheng-Yang Liu. Photonic nanojet shaping of dielectric non-spherical microparticles // Physica E 64 (2014), pp. 23-28.], дисков [B. , N.I. Zheludev, S.A. Maier, N.J. Halas, P. Nordlander, H. Giessenand T.C. Chong. The Fano resonance in plasmonic nanostructures and metamaterials. Nat. Mater.9, 707-715 (2010); C-Y. Liu and C-C. Li. Photonic nanojet induced modes generated by a chain of dielectric microdisks. Optik 127, 267-273 (2016).], цилиндра-сферы [Jinlong Zhu and Lynford L. Goddard. Spatial control of photonic nanojets // Optics Express, Vol. 24, No. 26, 2016, 30445].
Также было обнаружено, что фотонные струи могут быть сформированы несимметричными мезоразмерными диэлектрическими частицами, например, куб, усеченный шар, пирамида, усеченная пирамида, призма, объемный шестигранник и т.д. [I.V. Minin and O.V. Minin. Diffractive optics and nanophotonics: Resolution below the diffraction limit, Springer, 2016 http://www.springer.com/us/book/9783319242514#aboutBook; V. Pacheco-Pena, M. Beruete, I.V. Minin and O.V. Minin. Terajets produced by 3D dielectric cuboids. Appl. Phys. Lett. 105, 084102 (2014); I.V. Minin, O.V. Minin and Geintz Y.E. Localized EM and photonic jets from non-spherical and non-symmetrical dielectric mesoscale objects: brief review. Annalen der Physik (AdP), May 2015 DOI: 10.1002/andp.201500132; Yu. E. Geintz, A.A. Zemlyanov and E. K. Panina. Photonic Nanonanojets from Nonspherical Dielectric Microparticles. Russian Physics Journal 58, 904-910 (2015); Yu. E. Geints, A.A. Zemlyanov and E.K. Panina. Characteristics of photonic jets from microcones. Optics and Spectroscopy 119, 849-854 (2015); И.В. Минин, О.В. Минин. Фотоника изолированных диэлектрических частиц произвольной трехмерной формы – новое направление оптических информационных технологий // "Вестник НГУ. Серия: Информационные технологии". 2014, №4, С. 4-10.].
В настоящее время основными параметрами, позволяющими оптимизировать характеристики ФНС сфероидальных частиц, являются: форма падающего волнового фронта (плоский или гауссовый), параметр Ми частицы [Рассеяние света малыми частицами / Г. ван де Хюлст; пер. с англ. Т.В. Водопьяновой, под ред. В.В. Соболева. - М.: Изд-во иностранной литературы, 1961. - 536 с.] и относительный показатель преломления материала частицы и среды [Myun-Sik Kim, Toralf Scharf, Stefan Mtihlig, Carsten Rockstuhl, and Hans Peter Herzig. Engineering photonic nanojets // OPTICS EXPRESS, Vol. 19, No. 11, 10206 (2011)].
В устройстве для формирования фотонной струи с оптимальными размерами этой струи (минимальный диаметр для обеспечения сверхразрешения) глубина фокуса (протяженность струи вдоль направления распространения излучения на полувысоте по уровню мощности) обычно составляет около длины волны излучения, что недостаточно для решения ряда практических задач. Кроме того, выполнение частицы в виде сфероида усложняет технологию их изготовления и не обеспечивает совместимость с другими микро- и нано-устройствами преимущественно террагерцового диапазона, а продольные размеры устройства достаточно велики, определяемые в основном размерами частицы. Мала интенсивность поля формируемой фотонной струи.
Известно устройство для формирования фотонной струи террагерцового диапазона, обладающей свойствами сверхразрешения и состоящее из источника излучения и слабопоглощающей диэлектрической частицы с характерным размером, сравнимым с длиной волны падающего излучения, и расположенной вдоль направления распространения излучения [V. Pacheco-Pena, М. Beruete, I.V. Minin, О.V. Minin. Terajets produced by 3D dielectric cuboids // Appl. Phys. Lett. 105, 084102 (2014); http://dx.doi.org/10.1063/1.4894243)]. При этом частица выполнена в виде куба, а оптимальные размеры диэлектрической кубической частицы удовлетворяют соотношению:
2
2
0
L≈kλHn/n,
0
где k - эмпирический коэффициент, равный (0.90-2.2), L - высота кубоида, H - длина стороны кубоида, λ - длина волны падающего волнового фронта, n/n - относительное значение показателя преломления материала кубоида и окружающей среды.
В качестве прототипа выбрано устройство по патенту РФ №153686. Устройство для формирования фотонной струи с увеличенной глубиной фокуса, состоящего из источника излучения и диэлектрической частицы с характерным размером, сравнимым с длиной волны падающего излучения, отличающееся тем, что на поверхности диэлектрической частицы, обращенной к падающему волновому фронту, нанесен слой материала, не пропускающего падающее на частицу излучение, при этом поперечные размеры этого материала составляют 0,1-0,8 от максимального поперечного размера частицы, при этом диэлектрическая частица в продольном направлении со стороны, противоположной направлению падения излучения, выполнена усеченной формы.
Такое устройство позволяет упростить технологию их изготовления и обеспечить совместимость с другими микро- и нано-устройствами преимущественно террагерцового диапазона.
Однако и в этом устройстве для формирования фотонной струи интенсивность поля в формируемой фотонной струе мала.
Задачей настоящей полезной модели является устранение указанных недостатков, а именно увеличение интенсивности поля в фотонной струе.
Указанная задача достигается тем, что устройство для формирования фотонной струи, состоящее из источника излучения и диэлектрической частицы с характерным размером, сравнимым с длиной волны падающего излучения, а на поверхности диэлектрической частицы, обращенной к падающему волновому фронту, нанесен слой материала, не пропускающего падающее на частицу излучение, при этом поперечные размеры этого материала составляют 0,1-0,8 от максимального поперечного размера частицы, отличается тем, что частица выполнена в виде цилиндра, а слой материала, не пропускающего падающее на частицу излучение нанесен на ее плоский торец, расположенный перпендикулярно падающему излучению.
Полезная модель поясняется чертежами.
На фиг. 1 показано устройство для формирования фотонной струи.
На фиг. 2 показаны результаты моделирования (подтвержденные экспериментом) формирования фотонной тераструи с максимальной интенсивностью поля: верхний рисунок - диэлектрическая частица сферической формы, в середине - диэлектрическая частица в форме куба, внизу - формирование фотонной тераструи для цилиндрической частицы. На графиках линией с квадратиками обозначено распределение максимальной интенсивности поля в фотонной струе для диэлектрической частицы без экранирующей маски и линией с кружками - с экранирующей маской для характерных размеров частиц изменяющихся от λ до 3 λ.
На фиг. обозначены: 1 - падающее на частицу излучения от источника излучения, 2 - диэлектрическая слабопоглощающая частица, 3 - слой материала, не пропускающего падающее на частицу излучение (маска), 4 - фотонная струя.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Волновой фронт от источника излучения 1 падает на диэлектрическую частицу 2, расположенную по направлению распространения излучения. В результате взаимодействия участков волновых фронтов, интерферирующих внутри материала частицы 2, формируется фотонная струя 4. Поскольку на входной (по отношению к направлению падения излучения) поверхности диэлектрической частицы располагается слой материала, не пропускающего падающее излучение 3 (маска), волновой фронт внутри частицы искажается более сильно, по сравнению с прототипом, и в результате конструктивной интерференции формируется область повышенной концентрации поля в виде фотонной струи 4.
Конкретное значение величины экранирования поверхности частицы определяется в зависимости от назначения устройства и требуемых оптимальных параметров струи.
В результате экспериментов сравнивались диэлектрические частицы с коэффициентом преломления, равным 1.46 формирующие фотонные струи сферической формы диаметром L=3λ, в форме куба с величиной ребра L=3λ и в форме цилиндра с диаметром, равным длине цилиндра и равным 3λ. Во всех случаях поперечные размеры слоя материала, не пропускающего излучения, равнялись 3/2λ.
В результате исследования было установлено, что диэлектрическая частица с характерным размером 3λ цилиндрической формы с маской формирует непосредственно на ее теневой границе интенсивность поля на 18.9% больше, чем у сферической частицы и более чем в 2 раза больше для частицы в форме куба.
Вопрос о фокусировки и формировании фотонной струи диэлектрической частицей различной формы с покрытием, не пропускающим падающее излучение (отражающее или поглощающее покрытие), на ее поверхности, противоположной направлению падения излучения на частицу, является не тривиальным и не очевидным.
Устройства по формированию фотонных струй с увеличенной интенсивностью поля в фотонной струе в виде диэлектрической частицы с частично экранированной поверхностью и цилиндрической формы, обращенной к направлению падения излучения плоским торцом, в мире на сегодня не известны. Соответственно, проведенный сопоставительный анализ предложенного технического решения с выявленными аналогами уровня техники, из которого данная заявка для специалиста в данной области знаний явным образом не следует, показал, что оно не известно и не очевидно.
С учетом выше изложенного можно сделать вывод о соответствии настоящей заявки критериям патентоспособности.
Заявляемое устройство, кроме того, обеспечивает актуальное расширение приборного арсенала современных фокусирующих систем с субволновыми размерами, формирующих фотонные струи.
Техническим результатом является создание устройства для фокусировки фотонной струи с увеличенной интенсивностью поля в фотонной струе.