УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОКУСИРОВКИ ИЗЛУЧЕНИЯ МЕТАКУБОИДНОЙ ПЛОСКОЙ ЛИНЗОЙ

Полезная модель относится к устройствам для фокусировки излучения, выполненным из метаматериалов и предназначенных для фокусировки когерентного излучения в т.н. «фотонную струю». Данное устройство может быть использовано в системах передачи энергии миллиметрового и терагерцового диапазонов, изображающих планарных устройствах, устройствах интегральной квазиоптики, для соединения оптических волноводов, для ввода излучения в волноводы и т.д.
Для планарной (двумерной) фокусировки света используются различные типы линз. Самым простым вариантом являются обычные сферические или асферические линзы. Например, в патенте США US 7408129 В2 от 5.08.2008, МПК B23K 26/06, G02B 7/02 используются скрещенные цилиндрические линзы для фокусировки излучения от источника излучения. Излучение от источника вначале фокусируется одной линзой, затем сходящийся пучок фокусируется второй линзой.
Однако такое устройство для фокусировки излучения сложно в изготовлении, имеет значительные габариты по отношению к длине волны используемого излучения, сложна их взаимная юстировка, кроме того, с помощью линз из вышеуказанного источника невозможно получить минимальное фокусное пятно в связи с низкой числовой апертурой и невозможно формирование «фотонной струи». Фотонная струя - это область фокусировки излучения с субволновыми размерами вблизи диэлектрической частицы. 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 [A. Heifetzetal. Photonicnanojets // J ComputTheorNanosci. 2009 September 1; 6(9): 1979-1992. doi:10.1166/jctn.2009.1254].
Обычно для фокусировки когерентного излучения также используются дифракционные оптические элементы [O.V. Minin, I.V. Minin. Diffractional optics of millimetre waves: IoP Publishing Ltd, Bristol and Philadelphia, 396 p.], которые также имеют низкую числовую апертуру, так как фокусная плоскость находится за линзой в свободном пространстве.
а
Известна плоская двумерная линза, выполненная из метаматериала, представляющего собой прямоугольную матрицу отверстий с периодом  поперек и вдоль оптической оси в материале линзы, описанная в статье «Фотонно-кристаллическая линза Микаэляна»[Котляр В.В., Триандафилов Я.Р. Компьютерная оптика. - 2007. - Т. 31. - №3. - с. 27-31]. В такой линзе радиусы отверстий рассчитывались по формуле:
где х - поперечная координата линзы, L - длина линзы вдоль оптической оси z, а - период решетки.
Для достижения расчетного среднего показателя преломления в однородном материале линзы создается прямоугольная матрица отверстий размерностью M×N, где М - число отверстий по поперечной оси линзы и N - число отверстий по оптической оси линзы. Центры всех отверстий лежат в узлах прямоугольной сетки размером M×N. Расстояние между центрами d отверстий постоянное и меньше длины волны в среде d<λ/n, где λ - длина волны в вакууме, n - показатель преломления материала линзы.
Такое устройство для фокусировки излучения имеет следующие недостатки: сложность изготовления (изменение диаметров отверстий в зависимости от расстояния от
оси симметрии линзы), значительные габариты, превышающие длину волны используемого излучения, и невозможно формирование «фотонной струи», т.е. получения фокального пятна, полуширина которого на полувысоте меньше дифракционного предела.
Известно устройство фокусировки излучения, выполненное в виде плоской линзе из метаматериала и описанное в статье [«Фотонно-кристаллическая линза для сопряжения двух планарных волноводов» / Котляр В.В., Триандафилов Я.Р., Ковалев А.А., Котляр М.И., Волков А.В., Володкин Б.О., Сойфер В.А., О′Фелон Лим, Краусс Томас // Компьютерная оптика, 2008. - т. 32. - №.4. - с. 326-336]. С помощью моделирования показано, что такая фотонно-кристаллическая линза фокусирует свет в фокусное пятно вблизи своей поверхности с диаметром по полуспаду интенсивности немного меньше дифракционного предела.
Недостаток известной градиентной линзы заключается в следующем. Линза сложна в изготовлении (изменение диаметров отверстий в зависимости от расстояния от оси симметрии линзы), значительны габариты линзы, превышающие длину волны используемого излучения, и невозможно формирование «фотонной струи».
Наиболее близок к данной полезной модели прототип, патент РФ №2473155, МПК Н01Р 3/20, планарная (двумерная) фотонно-кристаллическая микролинза. В данном патенте используется градиентная линза, фокусирующая излучение от источника излучения и выполненная из метаматериала и имеющая плоские прямоугольные входную и выходную апертуры, а метаматериал представляет собой диэлектрик с системой отверстий, диаметр которых зависит от положения отверстий относительно оптической оси линзы.
Такое устройство для фокусировки излучения имеет следующие недостатки: сложность изготовления (изменение диаметров отверстий в зависимости от расстояния от оси симметрии линзы), значительные габариты, многократно превышающие длину волны используемого излучения, и невозможно формирование «фотонной струи».
Кроме того, известная линза не позволяет управлять характеристиками фотонной струи с использовнием эффекта двулучепреломления.
Можно упростить устройство фокусировки излучения, уменьшить габариты линзы с возможностью формирования «фотонной струи». Данная полезная модель упрощает устройство, уменьшает габариты и улучшает фокусирующие свойства плоской линзы.
Задача данной полезной модели разработать устройство для фокусировки излучения для фокусировки электромагнитной волны и формирования «фотонной струи» вблизи ее границы с возможностью простого практического изготовления и минимальными габаритами.
Кроме того, такое устройство будет обладать свойствами двулучепреломления для обеспечения селекции и/или управления сфокусированным излучением в зависимости от поляризации падающего излучения.
Техническим результатом является формирование «фотонной струи» устройством для фокусировки излучения, выполненного из метаматериалов с возможностью эффекта двулучепреломления.
Поставленная задача достигается тем, что устройство для фокусировки излучения, фокусирующее излучение от источника излучения и имеющее плоские входную и выходную апертуры, согласно полезной модели устройство выполнено 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, k - эмпирический коэффициент k=0.98…1.2.
Кроме того в качестве источника излучения используется источник с линейно поляризованным излучением.
Кроме того в качестве источника излучения используется источник излучения с круговой поляризацией.
Полезная модель поясняется чертежами.
Фиг. 1 - Устройство для фокусировки излучения.
Фиг. 2 - распределение интенсивности электромагнитного поля вдоль оптической оси в области формирования «фотонной» струи и поперек оптической оси.
Фиг. 3 - распределение интенсивности электромагнитного поля вдоль оптической оси в области формирования «фотонной» струи для волн поляризации ТЕ и ТМ соответственно.
Характерной чертой диэлектрических частиц, формирующих фотонные струи от падающего на них электромагнитного излучения, является то, что они являются одновременно как фокусирующими устройствами, так и частотно-селективными. То есть из широкополосного электромагнитного излучения, падающего на частицу, последними «вырезается» определенная частотная полоса, зависящая от свойств диэлектрической частицы.
Плоская волна от источника излучения, падая на кубическую частицу, проникает внутрь метаматериала. 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 результате экспериментальных исследований и результатов математического моделирования было обнаружено, что выполнение устройства для фокусировки излучения в форме кубоида из метаматериала с эффективным относительным показателем преломления, по отношению к показателю преломления окружающей среды, более 1.76 происходит формирование «фотонной струи» внутри тела линзы. При эффективном относительном показателе преломления менее 1.2 область формирования «фотонной струи» удаляется от плоской выходной апертуры линзы и происходит ее дефокусировка.
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. Было обнаружено, что устройства для фокусировки излучения сохраняет свои фокусирующие свойства на гармониках излучения.
Фокусирующие свойства устройства для фокусировки излучения зависят от типа поляризации падающей электромагнитной волны с плоским фронтом.
Из уравнений Максвелла для материальной среды следует, что фазовая скорость света в среде обратно пропорциональна величине диэлектрической проницаемости е среды. В некоторых материалах диэлектрическая проницаемость - тензорная величина - зависит от направления электрического вектора, то есть от состояния поляризации волны, поэтому и фазовая скорость волны будет зависеть от ее поляризации. Поскольку в варианте выполнения линзы в виде, например, стержней малого диаметра из материала с высоким показателем преломления (Фиг. 3) эффективная диэлектрическая проницаемость будет разной при ориентации вектора электрического поля вдоль и поперек стержней. Отсюда возникает эффект двулучепреломления. Это означает, что в зависимости от конкретного типа метаматериала, из которого изготовлено устройство для фокусировки излучения, условия фокусировки (трехмерный размер области фокусировки) будут зависеть от вида поляризации падающего волнового фронта. Этот эффект проиллюстрирован на Фиг. 3.
В качестве диэлектрика с заданным эффективным коэффициентом преломления, могут использоваться различные метаматериалы, хорошо известные из технической литературы. Например, диэлектрик с отверстиями или система диэлектрических
стержней, как в одномерном, двухмерном, так и в трехмерном вариантах [MininO. V., Mininl. V. Diffractiveopticsofmillimeterwaves, IOPPublisher, Boston-London, 2004 (396p); MeriakriV. V., NikitinI. P. Man-madedielectricwithdispersioninthemillimeterwavelengthband // Quasiopticaldevicesinmillimeterandsub-millimeterwavelengthranges. In: Proceedings of IRE, Har′kov, 65-70 (1989); Petosa, A., A. Ittipiboon, and S. Thirakoune, "Perforated dielectric resonator antennas, "Electronics Letters, Vol. 38, No. 24, 1493-1495 (2002); Zhang, Y. and A.A. Kishk, "Aalysis of dielectric resonator antenna arrays with supporting perforated rods, "2nd European Conf. on Antennas and Propag., EuCAP 2007, 1-5 (2007); N. Fabre, S. Fasquel, C. Legrand, X. Melique, M. Muller, M. Francois, O. Vanbeien, and D. Lippens. Towards focusing using photonic crystal flat lens // Opto-Electron. Rev., 14, no. 3, 225-232 (2006)], [Фотонныекристаллы. http://fdtd.kintechlab.com/ru/pc].
Поясним суть предлагаемого технического решения на двух характерных примерах.
Фокусирующие свойства устройства для фокусировки излучения были промоделированы для искусственного диэлектрика (метаматериал) с эффективным показателем преломления 1.46, метаматериал представлял собой диэлектрик с показателем преломления 3 и отверстиями диаметром d≈0,1λ, и размером треугольной элементарной решетка порядка 0,1445λ. Количество отверстий на длину ребра плоской линзы равно 7 (Фиг. 2).
Устройство для фокусировки излучения сконструировано на длину излучения λ=3 мм, толщина линзы равна апертуре и равна длине волны λ.
Фокусирующие свойства устройства для фокусировки излучения были также промоделированы для искусственного диэлектрика (метаматериала) с эффективным показателем преломления 1.46, метаматериал предствалял собой систему диэлектрических стержней с показателем преломления 9, расположенных в воздухе и диаметром стержней d≈0,95λ, и периодом квадратной ячейки 0.141 λ. Количество отверстий на длину ребра плоской линзы равно 10 (Фиг. 3).
Устройство для фокусировки излучения сконструировано на длину излучения λ=3 мм, толщина устройства равна апертуре и равна длине волны λ.
Результаты моделирования фокусирующих свойств двух типов устройств для фокусировки излучения методом FDTD показали, что:
1) Диаметр фокального пятна на полувысоте (full width half maximum - FWHM): FWHM = 0.67 λ для линзы типа (Фиг. 2) и FWHM = 0.47 λ для ТМ волны и FWHM = 0.51 λ для ТЕ волны для линзы типа (Фиг. 3).
2) Интенсивность сигнала в фокусе (эффективность фокусировки) возрастает примерно на 12% и уровень боковых лепестков рассеяния уменьшается на 15% для линзы второго типа, что улучшает качество фокусировки (изображения).
3) Для устройства для фокусировки излучения второго типа наблюдается более «острая» фокусировка падающего излучения вдоль оптической оси, что свидетельствует о лучшей концентрации энергии в фокусе и увеличению эффективности фокусировки.
4) Для устройства для фокусировки излучения на основе диэлектрических стержней (Фиг. 3) наблюдается эффект двулучепреломления (длина фотонной струи и диаметр ее фокального пятна разный для ТМ и ТЕ волн).
Устройство для фокусировки излучения в виде кубической частицы из метаматериала из литературы, неизвестна и ее фокусирующие свойства не очевидны.