СВЧ (КВЧ) электрически управляемое устройство фокусировки излучения с субдифракционным размером

Полезная модель относится к устройствам для фокусировки излучения, выполненным из жидких кристаллов и предназначенным для фокусировки когерентного излучения в т.н. «фотонную струю». Данное устройство может быть использовано в системах передачи энергии в сверх высокочастотном (СВЧ) и крайне высокочастотном (КВЧ) диапазонах, изображающих планарных устройствах, микроскопах, устройствах интегральной квазиоптики, для соединения оптических волноводов, для ввода излучения в волноводы и т.д.
С помощью классических линз и объективов невозможно получить сфокусированный пучок с размером перетяжки (в поперечном относительно направления распространения излучения) размером меньше дифракционного предела.
Известно, что фундаментальный рэлеевский критерий разрешения оптических систем заключается в том, что минимальный размер различимого объекта несколько меньше длины волны используемого излучения и принципиально ограничен дифракцией этого излучения [Борн М., Вольф Э. Основы оптики. - М.: Мир, 1978]. Невозможность сфокусировать свет в свободном пространстве в пятно с размерами меньше некоторого дифракционного предела следует и из соотношения типа соотношения неопределенностей Гейзенберга [Minin I.V., Minin O.V. Experimental verification 3D subwavelength resolution beyond the diffraction limit with zone plate in millimeter wave // Microwave and Optical Technology Letters, Vol.56, No. 10, October 2014, 2436-2439].
Под преодолением дифракционного предела понимается фокусировка излучения в пятно с размерами меньше, чем у пятна Эйри [Борн М., Вольф Э. Основы оптики. - М.: Мир, 1978].
Проблема "сверхфокусировки" при рассеянии световой волны на прозрачной диэлектрической мезоразмерной частице с различной формой поверхности обсуждались различными научными группами [Minin, I.V. and O.V. Minin. 2016. Diffractive Optics and Nanophotonics: Resolution Below the Diffraction Limit. New York: Springer; Lukiyanchuk, В., R. Paniagua-Dominguez, I.V. Minin, О.V. Minin and Z. Wang. 2017. Refractive index less than two: photonic nanojets yesterday, today and tomorrow. Opt. Mat. Express 7(6): 1820-1847; Minin, I. V., О. V. Minin and Y. Geintz. 2015. Localized EM and photonic jets from non-spherical and non-symmetrical dielectric mesoscale objects: brief review. Annalen der Physik 527(7-8):491-497]. Такие микрочастицы-линзы могут формировать область фокусировки вблизи их теневых поверхностей, называемой фотонной струей. Фотонная струя - это область фокусировки излучения с субволновыми размерами вблизи диэлектрической частицы. Фотонная струя возникает в области теневой поверхности диэлектрических микрочастиц - в т.н. ближней зоне дифракции - и характеризуется сильной пространственной локализацией и высокой интенсивностью оптического поля в области фокусировки [A. Heifetzetal. Photonic nano jets // J. Comput. Theor. Nanosci. 2009 September 1; 6(9): 1979-1992. doi:10.1166/jctn.2009.1254]. Фотонная струя характеризуется высоким значением пространственного разрешения до λ/3-λ/4, превышающим дифракционный предел, и высокой интенсивностью излучения.
Такие мезоразмерные диэлектрические фокусирующие устройства применяются в оптическом диапазоне длин волн и в СВЧ, КВЧ диапазонах, включая терагерцовый диапазон длин волн [Минин И.В., Минин О.В. Квазиоптика: современные теденции развития [Текст]: монография. - Новосибирск: СГУГиТ, 2015. - 163 с.; Минин И.В., Минин О.В. Фотонные струи в науке и технике // Вестник СГУГИТ, Т. 22, №2, 2017, с. 212-234; V. Pacheco-Pena, М. Beruete, I.V. Minin, and O.V. Minin, "Terajets produced by dielectric cuboids," Appl. Phys. Lett. 105, 084102 (2014); V. Pacheco-Pena, M. Beruete, I.V. Minin, and O.V. Minin, "Multifrequency focusing and wide angular scanning of terajets," Opt. Lett. 40, 245-248 (2015)].
В работе [Патент РФ 164738] предложено устройство для фокусировки излучения плоской линзой, фокусирующей излучение от источника излучения и имеющей плоские входную и выходную апертуры, при этом линза выполнена в форме кубоида из метаматериала с эффективным относительным показателем преломления (по отношению к показателю преломления окружающей среды), изменяющегося в диапазоне от 1,2 до 1,76, а длина каждой стороны кубоида (L) определяется из соотношения: L≈kλN, N=1, 2, 3 …, где λ - длина волны излучения освещающего линзу, к - эмпирический коэффициент k=0,98…1,2.
Преимуществом фокусирующих устройств на основе мезоразмерных диэлектрических частиц является их высокое пространственное разрешение, превышающее дифракционный предел, а недостатком является невозможность электрически управлять их фокусирующими характеристиками: фокусным расстоянием, пространственным разрешением.
В качестве сред с электрически управляемым показателем преломления в СВЧ (КВЧ) диапазонах могут быть использованы жидкие кристаллы (ЖК) [Патент РФ 2257648] или искусственные жидкие диэлектрики [Buscher Н.Т. Electrically Controllable Liquid Artificial Dielectric Media // IEEE Trans. Microwave Theory and Techn. - 1979. - V. 27 - N5. - P. 540-545.].
Линзы на основе сред с электрически управляемым показателем преломления имеют возможность электрически управлять их фокусирующими характеристиками: фокусным расстоянием, пространственным разрешением.
n
2n+2
n
2n+2
Искусственные жидкие диэлектрики имеют существенный недостаток, ограничивающий их применение, - низкую временную стабильность параметров. Искусственные жидкие диэлектрики представляют собой грубодисперсные системы - суспензии или, иначе, взвеси металлических частиц (например, алюминия) в жидких неполярных диэлектриках (углеводородов состава СН или фторуглеродов CF), имеющих низкие диэлектрические потери в СВЧ и КВЧ диапазонах. Для эффективного управления показателем преломления искусственных жидких диэлектриков металлические частицы должны иметь анизометричную форму (игл, чешуек и т.д.). Размеры частиц в зависимости от рабочей длины волны составляют единицы и сотни микрометров [Климов А.И., Антиликаторов А.Б. Применение диэлектриков с электрически управляемыми характеристиками в устройствах формирования сигналов с фазовой модуляцией // Вестник Воронежского института МВД России, №4, 2010, с. 5].
Известны адаптивные жидкокристаллические линзы, в которых возможно управлять фокусирующими свойствами за счет изменения параметров приложенного напряжения [Naumov A.F., Loktev M.Y., Guralnik I.R., Vdovin G.V. Liquid-crystal adaptive lenses with modal control. - Opt. Lett., 1998, v.23 p.992-994; Nose Т., Masuda S., Sato S. Optical properties of a hybrid-aligned liquid crystal microlens. - Molecular Crystals and Liquid Crystals, 1991, v.199, p.27-35; Nose Т., Masuda S., Sato S. A liquid crystal microlens with hole-patterned electrodes on both substrates. - Jpn. J. Appl. Phys., 1992, v.31, p.1643-1646; Vdovin G.V., Guralnik I.R., Kotova S.P., Loktev M.Y., Naumov A.F. Liquid-crystal lenses with a controlled focal length. I. Theory. - Quantum Electron., 1999, v.29, p.256-260.; Vdovin G.V., Guralnik I.R., Kotova S.P., Loktev M.Y., Naumov A.F. Liquid-crystal lenses with a controlled focal length. II. Numerical optimisation and experiments. - Quantum Electron., 1999, v.29 p.261-264; Fraval N., de Bougrenet de la Tocnaye J.L. Low aberrations symmetrical adaptive modal liquid, crystal lens with short focal lengths. - Appl. Opt., 2010, v.49, p.2778-2783; СП. Котова, A.B. Коробцов, H.H. Лосевский, A.M. Майорова, С.А. Самагин. Жидкокристаллический фокусатор // Фотоника No 4, 58, 2016, с. 112 - 124; Algorri, J.F., Zografopoulos, D.С., Urruchi, V.у , J.M. (2019). Recent Advances in Adaptive Liquid Crystal Lenses. Crystals, 9(5), 272.]. При изменении распределения напряжения по апертуре линзы в ЖК-слое происходит переориентация молекул, что в свою очередь приводит к возможности электрически управлять их фокусирующими характеристиками: фокусным расстоянием, пространственным разрешением.
Известна электрооптическая линза [Вдовин, Г.В. Жидкокристаллические линзы с перестраиваемым фокусным расстоянием. И. Численная оптимизация и эксперимент // Квантовая электроника. - 1999. - Т.26. - N 3. - с. 261-264.], включающая управляющие электроды, между которыми расположен слой жидкого кристалла с ориентирующими покрытиями и кольцом-прокладкой, причем один электрод выполнен сплошным, а другой имеет сквозное отверстие круглой формы.
В СВЧ (КВЧ) диапазоне длин волн, в отличие от оптического диапазона длин волн, существует проблема создания прозрачных для падающего излучения проводящих электрический ток электродов.
В качестве прототипа выбрано устройство по работе [Masaki Tanaka, Susumu Sato. Electrically controlled millimeter wave focusing properties of liquid crystal lens. // Jpn. J. Appl. Phys., 2002, August, Vol.41, part 1, No 8, pp.5332-5333.]. СВЧ (КВЧ) электрически управляемое устройство фокусировки излучения, состоящее из периодической слоистой структуры, состоящей из управляющих электродов, выполненных в форме профилированных металлических подложек, между которыми расположен слой жидкого кристалла с ориентирующими покрытиями.
Плоско-выпуклая сферическая жидкокристаллическая линза была образована из периодической слоистой структуры, состоящей из 15 слоев, относительным диаметром D/λ=12,5, где λ длина волны используемого излучения, с фокусным расстоянием, изменяющимся от 19,4λ до 24,4λ и максимальной толщиной 3,8λ на частоте 94 ГГц.
Преимуществом фокусирующих устройств в СВЧ (КВЧ) диапазоне на основе жидких кристаллов является возможность электрически управлять их фокусирующими характеристиками: фокусным расстоянием, пространственным разрешением. Недостатком является низкое пространственное разрешение, не превышающее дифракционный предел.
Задача данной полезной модели разработать СВЧ (КВЧ) электрически управляемое устройство фокусировки излучения с субдифракционным размером.
Техническим результатом является возможность электрически управлять фокусирующими свойствами мезоразмерного устройства в СВЧ (КВЧ) диапазонах с фокусировкой излучения в область с субдифракционным размером.
Поставленная задача достигается тем, что СВЧ (КВЧ) электрически управляемое устройство фокусировки излучения субдифракционным размером состоит из периодической слоистой структуры, состоящей из управляющих электродов, выполненных в форме профилированных металлических подложек, между которыми расположен слой жидкого кристалла с ориентирующими покрытиями, согласно полезной модели устройство выполнено в форме кубоида, с длиной каждой стороны кубоида (L) определяемой из соотношения:
L≈kλN, N=1,2, 3 …,
где λ - длина волны излучения освещающего линзу, k - эмпирический коэффициент k=0,98…1,2, а относительный показатель преломления жидкого кристалла (по отношению к показателю преломления окружающей среды), изменяется в диапазоне от 1,4 до 1,9.
Полезная модель поясняется чертежами.
Фиг. 1. Схема СВЧ (КВЧ) электрически управляемого устройства фокусировки излучения с субдифракционным размером.
Обозначения: 1 - управляющий электрод, 2 - слой жидкого кристалла с ориентирующими покрытиями, 3 - формируемая область фокусировки излучения с субдифракционным размером, 4 - освещающее фокусирующий кубоид излучение.
В результате экспериментальных исследований и математического моделирования было обнаружено, что выполнение устройства для фокусировки излучения в форме кубоида из жидкого кристалла с относительным показателем преломления, по отношению к показателю преломления окружающей среды, более, примерно, 1,9 происходит формирование области фокусировки излучения внутри тела линзы. При относительном показателе преломления менее, примерно, 1,4 область фокусировки удаляется от плоской выходной апертуры линзы, происходит ее дефокусировка и пространственное разрешение становится равным и более дифракционного предела.
Минимальный размер устройства для фокусировки излучения в форме кубоида порядка длины волны используемого излучения, поэтому размер апертуры плоской линзы равен примерно длине волны падающего волнового фронта.
Работа устройства происходит следующим образом. Плоская волна 1 от источника излучения, падая на СВЧ (КВЧ) электрически управляемое устройство фокусировки излучения в форме кубической частицы, проникает внутрь слоя жидкого кристалла 2. Кубоид выполнен из слоистой структуры, состоящей из управляющих электродов, выполненных в форме профилированных плоских металлических подложек. Поскольку излучение внутри кубоида в окрестности его края распространяется с большей фазовой скоростью, чем излучение в центре кубоида, возникающий набег фазы между различными участками падающей волны приводит к деформациям волнового фронта излучения, который при определенных параметрах кубической частицы приобретает положительную кривизну (излучение направляется внутрь кубоида от края к центру), что соответствует условию фокусировки излучения в область 3.
Отдельная ячейка устройства состоит из нематического жидкого кристалла 2, например, типа Е44, имеющего положительную диэлектрическую анизотропию, с ориентирующими покрытиями, например, тонкий слой поливинилового спирта, нанесенного на управляющих электродах 1. Управляющие электроды 1 выполнены из металла, например, меди. На управляющие электроды 1 подается переменное напряжение, например, с частотой 1 кГц и амплитудой 10-15 вольт.
Поверхности управляющих электродов 1 обработаны так, чтобы в отсутствие управляющего напряжения молекулы жидкого кристалла ориентировались параллельно проводникам. В этом случае взаимодействие молекул жидкого кристалла с электрическим полем электромагнитной волны относительно слабо, а показатель преломления жидкого кристалла Ni - мал. В этом случае область фокусировки 4 формируется на максимальном расстоянии от плоской границы устройства в форме кубоида и пространственное разрешение уменьшается.
⁄⁄
При наложении управляющего электрического поля (достаточного для насыщения жидкого кристалла) все молекулы ориентируются параллельно высокочастотному полю. В этом случае взаимодействие молекул с полем электромагнитной волны наибольшее, и показатель преломления жидкого кристалла N - максимален и область фокусировки 4 формируется на минимальном расстоянии от плоской границы устройства в форме кубоида и пространственное разрешение увеличивается.
⊥
⁄⁄
Таким образом, изменение управляющего поля от нуля до поля насыщения позволяет плавно увеличивать показатель преломления слоя жидкого кристалла от N до N.
В СВЧ (КВЧ) диапазоне нематические жидкие кристаллы обладают анизотропией [Б.А. Беляев, А.А. Лексиков, A.M. Сержантов, В.Ф. Шабанов. Управляемый сверхвысокочастотный жидкокристаллический фазовращатель // Письма в ЖТФ, 2008, том 34, вып.11, с. 19-28; Masaki Tanaka, Susumu Sato. Millimeter-wave deflection properties of liquid crystal prism cell with Stack-layered structure. // Jpn. J. Appl. Phys., 2001, October, Vol. 40, part 2, No 10B, pp. L1123-L1125.; Frederic Guerin, Jean-Marc Chappe, Pascal Joffre, Daniel Dolfi. Modeling, Synthesis and Characterization of a millimeter wave multilayer microstrip liquid crystal phase shifter. // Jpn. J. Appl. Phys., 1997, Jule, Vol.36, part 1, No 7A, pp.4409-4413.; Toshiaki Nose, Ryota Ito and Michinori Honma. Potential of Liquid-Crystal Materials for Millimeter-Wave Application // Appl. Sci. 2018, 8, 2544; doi:10.3390/app8122544; Tatsuo Nozokido, Satoshi Maede, Noriyuki Miyasaka, Hiroyuki Okada, Toshiaki Nose, and Tadakuni Murai. A millimeter-wave quasi-optical grid phase shifter using liquid crystal // IEICE Electronics Express, Vol.7, No.2, 67-72; К.C. Lim, J.D. Margerum, A.M. Lackner, L.J. Miller, E. Sherman and W.H. Smith, Jr. // Liq. Cryst. 14 (1993) 327; F. Guerin, J.M. Chappe, P. Joffre and D. Dolfi // Jpn. J. Appl. Phys. 36 (1997) 4409.; T. Nose, S. Sato, K. Mizuno, J. Bae and T. Nozokido. // Appl. Opt. 36 (1997) 6383].
Пример анизотропных параметров типичного нематического жидкого кристалла (Е7) в СВЧ и терагерцовом диапазоне приведен в таблице 1 [Iam Choon Khoo and Shuo Zhao. Multiple Time Scales Optical Nonlinearities of Liquid Crystals for Optical-Terahertz-Microwave Applications // Progress In Electromagnetics Research, Vol.147, 37-56, 2014].
СВЧ (КВЧ) электрически управляемое устройство фокусировки излучения с субдифракционным размером в виде кубической частицы из жидкого кристалла из литературы, не/известно и его фокусирующие свойства неочевидны.