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 частицу 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, , 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, 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.
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 диэлектрической сферической частичке, расположенной 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, в известном устройстве недостаточное пространственное разрешение, не превышающее λ/3 - λ/4, где λ длина волны используемого излучения и низкая энергетическая эффективность 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 сферической частицы, расположенной вдоль направления распространения излучения, с относительным показателем преломления N1 находящимся в диапазоне примерно от 1,4 до 1,8 и диаметром, изменяющимся от нескольких длин волн до тысяч длин волн, новым является то, что теневая сторона сферической частицы усечена относительно ее оптической оси на глубину h не более 0,3λ, где λ длина волны освещающего излучения, а усеченная часть сферы выполняется из материала с показателем преломления N2 лежащим в диапазоне от 1,2N1 до 1,8N1. При этом на освещенной части сферической частицы симметрично ее оптической оси установлена круговая маска не прозрачная для падающего излучения с диаметром не более диаметра сферической 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.
На Фиг. 1 показана схема устройства, на фиг. 2 приедена схема устройства с маской.
Обозначения: 1 - источник электромагнитного излучения, освещающего диэлектрическую сферическую частицу, 2 - первая часть диэлектрической частицы с относительным показателем преломления N2/N0=1,4-1,8, 3 - вторая часть диэлектрической частицы из материала с показателем преломления N2, 4 - фотонная струя, 5 - круговая маска, непрозрачная для падающего излучения.
Устройство формирования фотонной струи работает следующим образом. Электромагнитная волна с плоским волновым фронтом, сформированная источником электромагнитного излучения 1, освещает сферическую диэлектрическую частицу, состоящую из двух частей 2-3 с различными показателями преломления материалов. Первая часть сферической частицы 2 выполняется из материала с относительным показателем преломления N1, находящемся в диапазоне от 1,4 до 1,8 относительно показателя преломления окружающей среды. Теневая поверхность сферической частицы 2 выполнена усеченной с высотой усечения h, а усеченная часть сферы 3 выполнена из материала с показателем преломления N2, лежащим в диапазоне от 1,2N1 до 1,8N1. Выполнение усеченной части диэлектрической сферической частицы 3 из материала с показателем преломления превышающий показатель преломления материала первой части 2 приводит к более сильному эффекту фокусировки освещающего излучения 1. При показателе преломления N2 более 1,8N1, область фокусировки размещается внути диэлектрической частицы. При показателе преломления N2 менее 1,2N1, повышение пространственного разрешения не происходит.
При выполнении глубины усечения сферы более 0,3 λ увеличивается фокусное расстояние и пространственное разрешение уменьшается.
В результате исследований было установлено, что сферическая диэлектрическая частица с показателем преломления материала N1=1,46, диаметром 5λ, освещаемая плоской волной с длиной волны λ обеспечивает пространственное разрешение порядка λ/3 (прототип).
Диэлектрическая сферическая частица c показателем преломления материала N1 выполняется с усеченной частью поверхности на ее теневой стороне с высотой усечения h, усеченная часть сферической частицы выполняется из материала с показателем преломления N2 равным примерно (1,2-1,8)N1 и расположена в окружающем пространстве с показателем преломления равным единице. Для значений равных N2=2,16 и h=0,125λ интенсивность электромагнитного поля в фокальной струе увеличивается в 2,54 раза, а пространственное разрешение увеличивается до уровня λ/6,06. Полученные оптимальные значения величины пространственного разрешения от величины показателя преломления N2 изменяющегося в диапазоне (1,2-1,82)N1 и высоты усеченной части h приведены в таблице 1.
Таблица 1
Разрешение
λ/5,03
λ/5,28
λ/5,57
λ/5,87
λ/6,06
λ/6,06
λ/6,13
λ/6,25
λ/6,62
λ/6,45
N2/N1
1,2
1,27
1,34
1,41
1,48
1,55
1,62
1,69
1,75
1,82
h
0,22λ
0,18λ
0,16λ
0,14λ
0,125λ
0,11λ
0,10λ
0,095λ
0,09λ
0,08λ
Оптимальная высота усечения сферы может быть определена по следующему выражению:
.
Таким образом, например, если N2=1,37N1, то высота усечения равна 0,143λ.
Такая диэлектрическая композитная частица обеспечивает сверхразрешение при облучении ее волной с плоским волновым фронтом. Однако при этом обнаружено, что кроме основного пика интенсивности электромагнитного поля в области фокусировки присутствуют боковые лепестки с интенсивностью поля порядка и превышающей интенсивность поля основного лепестка.
Для повышения качества фокусировки на освещенной части сферической частицы симметрично ее оптической оси установлена круговая маска непрозрачная для падающего излучения, которая служит для увеличения интенсивности поля в центральном лепестке и уменьшения интенсивности в боковых лепестках.
0,
б
Так как лучшее пространственное разрешение было получено для N2=1,75N1 и h=0,09λ, то пример результатов оптимизация этого варианта с непрозрачной для падающего излучения маской приведены в таблице 2. В таблице 2 приведены значения разрешения в длинах волн падающего излучения, относительный диаметр маски d по отношению к диаметру сферы D, интенсивность поля в центральном лепестке I интенсивность поля в боковых лепестках I.
Таблица 2
Разрешение
λ/6,62
λ/5,76
λ/5,59
λ/5,59
λ/5,35
λ/5,14
λ/5,1
d/D
0
0,167
0,33
0,5
0,67
0,83
1,0
I<sub>0</sub>
100
323,3
460,4
519,4
549,6
379,5
132,7
I<sub>б</sub>/I<sub>0</sub>
1,503
0,811
0,866
0,534
0,407
0,290
0,215
В качестве диэлектриков с различными величинами показателя преломления могут использоваться, в зависимости от используемого спектрального диапазона, 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.