УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ ФОТОННОЙ СТРУИ

Полезная модель относится к области оптического приборостроения, а именно к диэлектрическим фокусирующим устройствам, предназначенным, в частности, для фокусировки электромагнитного излучения в локальную область с разрешением, превышающим дифракционный предел.
Устройства формирования фотонных струй находят применение для получения биоизображений мелких биообъектов, таких, как, например, вирус; лазерного наноструктурирования; управления наночастицами; в неразрушающих методах контроля и т.д.
В 2004 г. впервые было обращено внимание на наличие эффекта «фотонной наноструи» при исследовании рассеяния лазерного излучения на прозрачных однородных кварцевых микроцилиндрах и позднее на сферических частицах. Устройство для формирования фотонной струи состоит из источника излучения и слабопоглощающей диэлектрической частицы с характерным размером, сравнимым с длиной волны падающего излучения и расположенной вдоль направления распространения излучения.
Фотонная струя возникает в области теневой поверхности диэлектрических микроцилиндрических и микросферических частиц - в т.н. ближней зоне дифракции - и характеризуется сильной пространственной локализацией и высокой интенсивностью оптического поля в области фокусировки.
Было показано, что при падении плоской волны на сфероидальную и цилиндрическую частицы достижимо пространственное разрешение до трети длины волны, что ниже классического дифракционного предела. Обзор современного состояния по формированию фотонной струи диэлектрическими частицами произвольной формы в электромагнитном спектре приведен в работах [Alexander Heifetz, Soon-Cheol Kong, Alan V. Sahakian, Allen Taflove and Vadim Backman. Photonic Nanojets // Journal of Computational and Theoretical Nanoscience Vol. 6, 1979-1992, 2009; Boris S. Luk’yanchuk, Ramón Paniagua-Domínguez, Igor Minin, Oleg Minin, and Zengbo Wang Refractive index less than two: photonic nanojets yesterday, today and tomorrow // Optical Materials Express Vol. 7, Issue 6, pp. 1820-1847 (2017) •https://doi.org/10.1364/OME.7.001820; Minin I. V., Minin O. V. Diffractive optics and nanophotonics: Resolution below the diffraction limit. - Springer, 2016 [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.springer.com/us/book/9783319242514#aboutBook].
Известно устройство формирования фотонной струи, состоящее из источника излучения и диэлектрической сферической частицы с диаметром, сравнимым с длиной волны падающего излучения и расположенной вдоль направления распространения излучения, на теневой границе которой выполнен массив кольцевых структур с общим центром. Такая модифицированная микросфера формирует фотонную струю с уменьшенной шириной примерно на 30% [Патент WO/2017/007431, Microsphere for generating a photonic nanojet, авторы: Hong Minghui, Chen Xudong, Wu Mengxue.].
Известно устройство для формирования фотонной струи, обладающее 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.
Усовершенствование подобных устройств формирования фотонной струи предложено в [Patent US 2018 /0196243 A1, Methods and systems for super-resolution optical imaging using higy - index of refraction microspheres and microcylinders, авторы Vasily N . Astratov, Arash Darafsheh] и касается показателя преломления сферических и цилиндрических диэлектрических частиц, формирующих фотонную струю. Рекомендуется использовать материал частиц с показателем преломления не менее 1,8, а материал подложки или окружающей частицы среды должен иметь более низкий показатель преломления, при этом диаметр частиц может находиться в диапазоне между длиной волны используемого излучения до нескольких тысяч длин волн.
Недостатками известных устройств формирования фотонных струй являются недостаточное пространственное разрешение, не превышающее λ/3 - λ/4, где λ длина волны используемого излучения и низкая энергетическая эффективность цилиндрических и сферических диэлектрических частиц, формирующих фотонные струи.
Известно устройство формирования фотонной струи, состоящее из источника электромагнитного излучения и диэлектрических цилиндрических или сферических частичек, расположенных вдоль направления распространения излучения, с относительным показателем преломления находящимся в диапазоне примерно от 1,4 до 1,8 и диаметрами, изменяющимся от нескольких длин волн до тысяч длин волн [Patent US 9835870 B2, Super-resolution microscopy methods and systems enhanced by dielectric microspheres or microcylinders used in combination with metallic nanostructures, авторы Vasily N. Astratov, Nicholaos I. Limberopoulos, Augustine M.]. Данное устройство принято за прототип.
Однако, у этого устройства недостаточное пространственное разрешение, не превышающее λ/3 - λ/4, где λ длина волны используемого излучения и низкая энергетическая эффективность цилиндрических и сферических диэлектрических частиц, формирующих фотонные струи.
Задачей настоящей полезной модели является устранение указанных недостатков, а именно повышение пространственного разрешения и повышение энергической эффективности устройства формирования фотонной струи.
Указанная задача достигается тем, что в устройстве формирования фотонной струи, состоящем из источника электромагнитного излучения и диэлектрической цилиндрической частицы, расположенной вдоль направления распространения излучения, с относительным показателем преломления, находящимся в диапазоне примерно от 1,4 до 1,8, и диаметром, изменяющимся от нескольких длин волн до тысяч длин волн, согласно полезной модели диэлектрическая частица состоит из двух частей разделенных по ее оси симметрии перпендикулярно направлению падения излучения, выполненных из диэлектриков с различными показателями преломлениями, первая часть частицы, на выпуклую сторону которой падает излучение, непосредственно сопряжена плоской стороной со второй частью частицы с показателем преломления меньше показателя преломления первой частицы примерно в 0,8-0,9 раз, а ее теневая сторона имеет усеченный вид на величину h, равную
1
где α - эмпирический коэффициент, равный 0,9-1,1; R - радиус частицы; n - показатель преломления материала второй части частицы.
Заявителем не выявлены какие-либо технические решения, идентичные заявленному, что позволяет сделать вывод о соответствии настоящего изобретения критерию «новизна».
Заявителем не выявлены источники информации, в которых содержались бы сведения о влиянии отличительных признаков изобретения на достигаемый технический результат. Указанные новые свойства объекта обуславливают, по мнению заявителя, соответствие изобретения критерию «изобретательский уровень». Полезная модель поясняется чертежами.
n
n
n
2
1
0
На Фиг. 1 показана схема устройства, на Фиг. 2 приведены результаты моделирования цилиндрической частицы диаметром равным 5λ и с показателем преломления равным 1,5 (прототип), на Фиг. 3 приведены результаты моделирования цилиндрической частицы диаметром равным 5λ с показатель преломления первой части диэлектрической частицы равным = 1,5, показатель преломления материала второй части диэлектрической частицы  = 1,3, показатель преломления окружающего пространства  = 1, на Фиг. 4 приведены результаты моделирования диэлектрической цилиндрической частицы из двух диэлектриков, согласно предлагаемой полезной модели с усеченной теневой частью.
n
/n
n
2
0
1
Обозначения: 1 - источник электромагнитного излучения, 2 – излучение, освещающее диэлектрическую частицу, 3 - первая часть диэлектрической частицы с относительным показателем преломления =1,4-1,8, 4 - вторая часть диэлектрической частицы из материала с показателем преломления , 5 - фотонная струя.
n
n
2
2
Устройство формирования фотонной струи работает следующим образом. Источник электромагнитного излучения 1 (лазер, диод Ганна, лампа обратной волны) генерирует электромагнитное излучение 2 в оптическом, терагерцовом или микроволновом диапазонах длин волн, которое освещает диэлектрическую цилиндрическую частицу, состоящую из двух диэлектриков с различными показателями преломления 3, 4. Цилиндрическая частица из двух диэлектриков 3, 4 расположена вдоль направления распространения излучения 2. Цилиндрическая диэлектрическая частица образована из двух частей 3, 4. Первая часть цилиндрической частицы 3, на которую падает излучение 2, изготавливается из диэлектрика с относительным показателем преломления, по отношению к окружающему пространству, находящимся в диапазоне примерно от 1,4 до 1,8 и диаметром, изменяющимся от нескольких длин волн до тысяч длин волн. Первая часть диэлектрической частицы 3 имеет форму усеченного цилиндра по его оси симметрии, плоскостью, перпендикулярной направлению падения излучения. Вторая часть диэлектрической частицы 4 непосредственно сопряжена с ее плоской поверхностью и имеет цилиндрическую форму теневой поверхности. Показатель преломления материала второй части диэлектрической частицы имеет величину меньше показателя преломления первой частицы примерно в 0,8-0,9 раз. При показателе преломления материала второй части диэлектрической частицы более примерно 0,9происходит уменьшение интенсивности поля в области фотонной струи 5 и менее 0,8увеличивается расстояние от теневой границы частицы до формируемой фотонной струи 5 с уменьшением пространственного разрешения и величины интенсивности электромагнитного поля в ней.
Как показали результаты моделирования для диэлектрической цилиндрической частицы, расположенной в воздухе и составленной из диэлектриков с показателями преломления равными 1,5 и 1,3 интенсивность поля в формируемой фотонной струе 5, по сравнению с однородной диэлектрической частицей больше примерно в 1,4 раза. Пространственное разрешение устройства формирования фотонной струи достигает порядка λ/5 - λ/6.
d
Обнаружено, что если теневая сторона диэлектрической частицы 4 имеет усеченный вид на величину , равную примерно
<mrow><mi>d</mi><mo>=</mo><mi>α</mi><mi>R</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mi>n</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo></mrow>
R
n
1
где α - эмпирический коэффициент, равный 0,9-1,1,  - радиус частицы,  - показатель преломления материала второй части частицы интенсивность электромагнитного поля в формируемой фотонной струе 5, по сравнению с однородной диэлектрической частицей становится больше примерно в 2 раза. С увеличением величины усечения диэлектрической частицы интенсивность поля в области формируемой фотонной струи уменьшается. В таблице 1 приведена зависимость интенсивности поля в области фотонной струи от величины усечения ее теневой части, нормированной на величину интенсивности поля в области фотонной струи, формируемой однородной диэлектрической цилиндрической частицы с радиусом R=5λ.
Таблица 1
d/R
Однороднаядиэлектрическаячастица, d/R=0
0
0,03
0,04
I
1
1,42
1,96
1,2
d,
Кроме того, установлено, что диэлектрическая частица, состоящая из двух частей разделенных по ее оси симметрии перпендикулярно направлению падения излучения, выполненных из диэлектриков с различными показателями преломлениями, первая часть частицы, на выпуклую сторону которой падает излучение, непосредственно сопряжена плоской стороной со второй частью частицы с показателем преломления меньше показателя преломления первой частицы примерно в 0,8-0,9 раз, а ее теневая сторона имеет усеченный вид на величину может иметь сферическую форму, при сохранении тенденций повышения пространственного разрешения и величины интенсивности электромагнитного поля в области фокуса.
В качестве диэлектриков с различными величинами показателя преломления могут использоваться, в зависимости от используемого спектрального диапазона, с различные стекла, полимеры, например, полиэтилен, полипропилен, политетраметилпентен, полистирол, фторопласт и т.д., керамика, пенопласты, композиционные материалы, искусственные материалы и т.д.
Техническим результатом полезной модели является повышение пространственного разрешения устройства при одновременном улучшении его энергетической эффективности.