Устройство для формирования фотонной струи
PHOTON JET SHAPING DEVICE

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а точнее к диэлектрическим фокусирующим устройствам, предназначенным, в частности, для фокусировки электромагнитного излучения в локальную область с субдифракционными размерами и может быть применено для фокусировки упругих волн в фокальную область с поперечными размерами менее дифракционного предела.
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. Пространственное разрешение фотонной струи достигает величины порядка λ/4-λ/3, где λ - длина волны используемого излучения. В радио- и акустическом диапазонах формируются аналоги фотонной струи. Понятие акустоструи (acoustojet) как аналога фотонной струи в оптике было впервые введено в работах [I.V. Minin and O.V. Minin, Acoustojet: acoustic analogue of photonic jet phenomenon, arXiv:1604.08146 (2016); O.V. Minin and I.V. Minin, Acoustic analogue of photonic jet phenomenon based on penetrable 3D particle // Opt. Quant. Electron. 49, 54 (2017); J.H. Lopes, J.P. Leo-Neto, I.V. Minin, O.V. Minin, a & G.T. Silva, A theoretical analysis of acoustic jets // ICA2016, 0943, (2016)].
Акустоструя это область повышенной концентрации акустической энергии с высоким (субволновым) пространственным разрешением, возникающая непосредственно на теневой стороне мезоразмерной звукопроводящей частицы.
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).], а также полусфер [Cheng-Yang Liu. Photonic nanojet shaping of dielectric non-spherical microparticles // Physica E 64 (2014), pp. 23-28.], дисков [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 качестве материала фокусирующих частичек используется однородный диэлектрик.
Фотонная (акустическая) струя возникает только для определенных значений относительного показателя преломления в материале частицы (линзы) и окружающей среды, не превышающей 2 [Z. G. Chen, A. Taflove, and V. Backman. Photonic nanojet enhancement of backscattering of light by nanoparticles: a potential novel visible-light ultramicroscopy technique // Optics Express, vol. 12, pp. 1214-1220, Apr 2004., Igor V. Minin, Oleg V. Minin, and Yuri E. Geints. Localized EM and photonic jets from non-spherical and non-symmetrical dielectric mesoscale objects: Brief review // Ann. Phys. (Berlin), 1-7 (2015), 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), Минин И.В., Минин О.В. Фотонные струи в науке и технике // Вестник СГУГИТ, Т. 22, № 2, 2017, с. 212-234., J. H. Lopes, M. A. B. Andrade, J. P. Leão-Neto, J. C. Adamowski, I. V. Minin, and G. T. Silva. Focusing Acoustic Beams with a Ball-Shaped Lens beyond the Diffraction Limit // Phys. Rev. Applied 8, 024013 (2017), DOI: 10.1103/PhysRevApplied 8.024013; Минин И.В., Минин О.В. Сверхразрешение в акустических фокусирующих устройствах // Вестник СГУГИТ, Том 23, № 2, 2018, с. 231-244.].
Считается, что при фокусировке волн любой природы волновая энергия концентрируется в области с поперечным размером, не меньшим половины длины волны [Горелик Г.С. Колебания и волны. М.: Гос.изд. Физ.-мат.лит., 1959, с. 377]. Величина поперечного разрешения линзы определяется критерием Рэлея (дифракционный предел) [Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1973, 720 с.]:
δ≈1,22λ/D,
где λ - длина акустической волны, D - диаметр линзы. Для достижения высокого пространственного разрешения необходимо использовать линзы с высокой числовой апертурой.
Общим недостатком устройств формирования фотонной струи является невозможность их использования при изменении величины показателя преломления материала окружающей среды при сохранении необходимого относительного показателя преломления.
В качестве прототипа выбрано устройство по патенту РФ № 178616. Устройство для формирования фотонной струи, состоящее из источника излучения и диэлектрической частицы с характерным размером, сравнимым с длиной волны падающего излучения, при этом частица выполнена в виде цилиндра, а излучение падает на ее плоский торец, расположенный перпендикулярно падающему излучению.
Недостатком устройства является невозможность его использования при изменении величины показателя преломления материала окружающей среды при сохранения необходимого относительного показателя преломления.
Задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков, а именно разработка устройства формирования фотонной струи с постоянным значением необходимого относительного показателя преломления при различных значениях показателя преломления окружающей среды, в которой размещена формирующая фотонную струю частица.
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, при этом частица выполнена в виде цилиндра, а излучение падает на ее плоский торец, расположенный перпендикулярно падающему излучению, новым является то, что частица образована массивом соосных и последовательно расположенных полых конусов на расстоянии друг от друга не более 0,5λ, где λ - длина волны используемого излучения и с углом раствора конуса лежащем в диапазоне примерно от 88 до 112 градусов, а конусы изготовлены из материала отражающего падающее излучение.
Известен искусственный диэлектрик образованный из решетки параллельных пластин установленных под углом θ к падающему излучению. Принцип действия такой искусственной среды заключается в том, чтобы заставить волны двигаться между наклонно расположенными пластинами. В этом случае, проходимый путь возрастает в 1/сos раз, что соответствует эффективному показателю преломления по отношению к распространению волн в свободном пространстве n=1/сosθ [Kock W. E. Metal-lens antennas // Proc. IRE. 34, 828-836 (1946);  Winston E. Kock. Metallic Delay Lenses // Bell System Technical Journal, 1948, 27, р. 58-82.].
эф
В таком искусственном диэлектрике эффективный показатель преломления зависит только от угла наклона пластин решетки. В таблице 1 приведены значения эффективного показателя преломления n от угла наклона пластин.
Таблица 1
Эф. показатель преломления, n<sub>эф</sub>
1,0
1,02
1,06
1,15
1,31
1,56
1,74
2,0
Угол наклона пластин
0
10
20
30
40
50
55
60
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 показано устройство для формирования фотонной струи.
На фиг. 2 показаны результаты численного моделирования формирования фотонной тераструи частицы в случае падение излучения на цилиндр, образованный массивом соосных и последовательно расположенных полых конусов со стороны их основания (а) и вершины (б).
На фиг. 1 обозначены: 1 - падающее на частицу излучения от источника излучения, 2 - частица, формирующая фотонную струю, 3 - массив соосных и последовательно расположенных полых конусов, 4 - фотонная струя.
Заявляемое устройство работает следующим образом. Освещающее излучение 1 падает на частицу в форме цилиндра 2, образованного массивом соосных и последовательно расположенных полых конусов 3. Электромагнитная или акустическая волна, проходя больший пусть вдоль поверхности конуса, имеет больший эффективный показатель преломления, чем при распространении излучения вдоль поверхности цилиндрической частицы. Особенностью устройства является то, что вещество окружающее частицу 2 находится и между массивом соосных, и последовательно расположенных полых конусов 3. В результате дифракции электромагнитной или акустической освещающей волны на цилиндрической частице и интерференции волн прошедших через частицу формируется область фокусировки 4 (фотонная струя) с субволновым разрешением.
Достоинством предлагаемого устройства является независимость его свойств от параметров окружающей среды, так как материал окружающей среды находится в структуре формирующего устройства, а его относительный показатель преломления зависит только от физической длины боковых сторон конуса или от угла наклона θ по отношению к падающему излучению.
При моделировании работы устройства, расстояние между соосными конусами выбиралось менее λ/2, примерно 0,4λ. При уменьшении расстояния между пластинами увеличивается «однородность» такого материала. При увеличении расстояния между соосными конусами более 0,5 λ уменьшалась интенсивность формируемой области фокусировки.
Конусы могут быть изготовлены из материала отражающего падающее излучение для обеспечения эффективного распространения излучения между поверхностями соосно расположенных полых конусов. Например, в электромагнитном диапазоне длин волн это могут быть различные металлы или диэлектрики с высоким показателем преломления по отношению к показателю преломления окружающей цилиндрическую частицу среде. В акустическом диапазоне конусы могут быть изготовлены из материала создающего контраст импеданса с окружающей средой. Их возможно изготовить методом 3D печати.
Нижняя граница угла раствора конуса 88 градусов соответствует показателю преломления примерно равного 1,4. При показателе преломления менее 1,4 формируется область фокусировки с разрешением примерно равным дифракционному пределу. Верхняя граница раствора конуса 112 градусов соответствует показателю преломления примерно равного 1,8. При показателе преломления более 1,8 область фокусировки смещается внутрь тела цилиндрической частицы.
Конкретное значение величины раствора конусов частицы определяется в зависимости от назначения устройства и требуемых оптимальных параметров области фокусировки.
Заявляемое устройство, обеспечивает актуальное расширение приборного арсенала современных фокусирующих систем с субволновыми размерами, формирующих фотонные струи.
Техническим результатом является создание устройства для фокусировки фотонной струи с постоянным значением необходимого относительного показателя преломления при различных значениях показателя преломления окружающей среды, в которой размещена формирующая фотонную струю частица.