ОПТИЧЕСКИЙ МИКРОДАТЧИК НА ОСНОВЕ ФОТОННЫХ СТРУЙ ТЕРАГЕРЦОВЫХ, ИК ИЛИ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛН

Полезная модель относится к устройствам оптических, инфракрасных (ИК) и субмиллиметровых волн, в частности к микродатчикам и устройствам линий передачи оптических, ИК и терагерцовых волн и может быть использована для передачи (канализации) энергии в различных датчиках неразрушающего контроля, биомедицинских исследованиях с пространственным сверхразрешением и высокой плотностью энергии.
Из технической литературы известно, что для канализации коротковолнового излучения применяются: металлические полые волноводы; линии поверхностной волны - диэлектрические волноводы; квазиоптические линии, состоящие из передающих и приемных апертур [Техника субмиллиметровых волн. Под ред. Р.А. Валитова. Сов. Радио, 1969, 480 с., с. 249-298.]. В металлических полых волноводах с увеличением частоты излучения электромагнитной волны быстро увеличиваются погонные потери. Например, на длине волны λ=0.2 мм потери возрастают до величины 120 дБ/м [Техника субмиллиметровых волн. Под ред. Р.А. Валитова. Сов. Радио, 1969, 480 с., с. 250]. Затухание в металлических волноводах растет пропорционально частоте в степени три вторых, что делает невозможным их применение в ИК- и терагерцовом диапазоне. В диэлектрических волноводах, затухание растет пропорционально частоте излучения электромагнитной волны [Техника субмиллиметровых волн. Под ред. Р.А. Валитова. Сов. Радио, 1969, 480 с., с. 257].
Известны устройства канализации оптического излучения, выполненные в виде сферических или цилиндрических частиц, формирующих фотонные струи. Известный механизм формирования фотонной струи при падении плоского волнового фронта на криволинейную поверхность диэлектрического цилиндра [Z. Chen and A. Taflove. Photonic nanojet enhancement of backscattering of light by nanoparticles: a potential novel visible-light ultramicroscopy technique // OPTICS EXPRESS, 5 April 2004, Vol. 12, No. 7, p. 1214], [I. Mahariq, H. Kurt. On- and off-optical-resonance dynamics of dielectric microcylinders under plane wave illumination // Journal of the Optical Society of America B, Vol. 32, No. 6, pp. 1022-1031 (June 2015)] или сферы [A. Heifetz, Soon-Cheol Kong, A.V. Sahakian, A. Taflove, and V. Backman. Photonic Nanojets // Journal of Computational and Theoretical Nanoscience, Vol. 6, pp. 1979-1992 (2009)] состоит в том, что цилиндр (двумерный случай) или сфера (трехмерный случай) играют роль микролинз [D. Maderankova et al. Numerical modeling of photonic nanojet behind dielectric microcylinder // Proc. of the World Congress on Medical Physics and Biomedical Engineering, V. 25, PT 4: IMAGE PROCESSING, BIOSIGNAL PROCESSING, MODELLING AND SIMULATION, BIOMECHANICS, Volume: 4, 2014] и фазовый фронт падающего на них излучения искажается благодаря явлению рефракции на этих частицах. В результате внутри такой частицы формируется вогнутый волновой фронт, который при схождении на ось симметрии фокусируется в локальную область - фотонную струю.
Однако длина фотонной струи составляет не более нескольких длин волн и отдельные частицы сферической или цилиндрической формы не позволяют осуществить канализацию и транспортировку электромагнитной волны на большее расстояние.
Ближайшим техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является оптический микродатчик на основе фотонных струй, состоящий из источника излучения, множества оптически прозрачных сфер или цилиндров, расположенных вплотную друг к другу своими криволинейными поверхностями в направлении распространения излучения [Patent US N 8554031, G02B 6/00, B01J 19/12. Focusing multimodal optical microprobe devices.]. При этом существенно, что излучение падает на криволинейную поверхность сферы или цилиндра и тем самым формирует «фотонную струю» с высоким пространственным разрешением, т.е. порядка λ. Излучение периодически фокусируется вдоль цепочки сфер или цилиндров, что приводит к появлению периодических оптических мод. Для получения фотонных струй используются сферы или цилиндры диаметром от 4λ до 20λ и коэффициентом преломления от 1.4 до 1.71 [S. Yang, V.N. Astratov. Photonic nanojet-induced modes in chains of size-disordered microspheres with an attenuation of only 0.08 dB per sphere // Appl. Phys. Lett. 92, 261111 920080.].
Недостатками такого устройства при использовании его в коротковолновой части терагерцового диапазона длин волн, ИК и оптического диапазонов является большие поперечные размеры, значительная общая толщина диэлектрика в направлении распространения излучения и связанные с этим потери энергии как в материале линз, так и на переотражение излучения от множества границ поверхностей линз, сложность устройства. Кроме того, необходимо технологически обеспечить непосредственный физический контакт между соседними сферами или цилиндрами (п.9 формулы изобретения по Патенту US N 8554031) со стороны их криволинейной поверхности, поскольку передача фотонной струи от одной частицы к другой происходит в известном устройстве исключительно через их диэлектрический материал [А.М. Kapitonov and V.N. Astratov. Observation of nanojet-induced modes with small propagation losses in chains of coupled spherical cavities / Optics Letters, Vol. 32, Issue 4, pp. 409-411 (2007)].
Задачей полезной модели является создание оптического микродатчика на основе фотонных струй терагерцовых, ИК и оптических волн, отличающегося малыми поперечными размерами, минимальной толщиной диэлектрических линз, сравнимых с длиной волны излучения в свободном пространстве, простотой конструкции линз при снижении суммарных потерь на отражение излучения от границ линз.
Технический результат выражается в том, что оптический микродатчик на основе фотонных струй терагерцовых, ИК или оптических волн имеет меньшие поперечные размеры порядка длины волны в свободном пространстве, минимальную толщину диэлектрических линз, порядка длины волны в свободном пространстве, меньшее количество линз на единицу длины датчика при меньших потерях канализируемого излучения и простоту конструкции линз, исключив ее сложный профиль.
0
0
Поставленная задача решается тем, что в оптическом микродатчике на основе фотонных струй терагерцовых, ИК или оптических волн, включающем источник излучения и набор диэлектрических линз, расположенных вдоль направления распространения волн, согласно изобретению, линзы пространственно разнесены между собой, расположены торцами по отношению друг к другу и выполнены в виде цилиндра с высотой d, лежащей в диапазоне от 0.85λ до 1.3λ, где λ длина волны используемого излучения в окружающем пространстве и выполнены из диэлектрика с относительным коэффициентом преломления N/N (N коэффициент преломления окружающей среды) лежащем в диапазоне от 1.2 до 1.75, а расстояние между соответствующими линзами выбирается в диапазоне от L=2d до 3.5d.
При этом материал цилиндров может иметь различный показатель преломления.
При этом все цилиндры могут иметь одинаковый размер.
При этом цилиндры могут иметь различные диаметры D, кратные величине D=2kλ, где k=1, 2, 3, ….
При этом часть цилиндров располагается наклонно к направлению распространения волн.
При этом все цилиндры могут быть расположены на подложке.
Наличие признаков, отличающих изобретение от прототипа, позволяет сделать вывод о соответствии его критерию «новизна».
0
0
Новые признаки: линзы пространственно разнесены между собой, расположены торцами по отношению друг к другу и выполнены в виде цилиндра с высотой d лежащей в диапазоне от 0.85λ до 1.3λ, где λ длина волны используемого излучения и выполнены из диэлектрика с относительным коэффициентом преломления N/N (N коэффициент преломления окружающей среды) лежащем в диапазоне от 1.2 до 1.75, а расстояние между соответствующими линзами выбирается в диапазоне от L=2d до 3.5d не выявлены в технических решениях аналогичного назначения. На этом основании можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию «изобретательский уровень».
На фиг. 1 представлена схема оптического микродатчика на основе фотонных струй терагерцовых, ИК или оптических волн с линзами - цилиндрами одинакового размера и схема линзы-цилиндра, формирующего фотонную струю с пространственным разрешением не менее чем в 2 раза превышающей дифракционное разрешение (разрешение Рэлея) и повышенной плотностью энергии. На фиг. 2 - приведен пример схемы оптического микродатчика на основе фотонных струй терагерцовых, ИК или оптических волн диапазона с линзами - цилиндрами различного размера. На фиг. 3 приведена схема оптического микродатчика на основе фотонных струй терагерцовых, ИК или оптических волн с частью цилиндров расположенных наклонно к направлению распространения волн, для поворота канализируемого электромагнитного излучения. На фиг. 4 приведен пример схемы оптического микродатчика на основе фотонных струй терагерцовых, ИК или оптических волн с линзами - цилиндрами, размещенными на подложке. На фиг. 5 приведен результат моделирования распространения электромагнитной волны в оптическом микродатчике на основе фотонных струй с линзами - цилиндрами. На фиг. 6 показан одиночный диэлектрический цилиндр и формируемая фотонная струя при облучении со стороны торца.
Оптический микродатчик на основе фотонных струй терагерцовых, ИК или оптических волн с линзами - цилиндрами содержит (см. фиг. 1-4) линза - диэлектрический цилиндр 1, промежуток между торцами цилиндров 2, подложку 3 на которой размещены цилиндры 1.
Работает устройство следующим образом. При падении электромагнитной волны на торец диэлектрического цилиндра 1, электромагнитная волна проникает внутрь диэлектрического материала. Поскольку излучение внутри цилиндра 1 в окрестности его края распространяется с большей фазовой скоростью, чем излучение в центре цилиндра, возникающий набег фазы между различными участками падающей волны приводит к деформациям волнового фронта излучения, который при определенных параметрах диэлектрического цилиндра 1 приобретает положительную кривизну (излучение направляется внутрь цилиндра от края к центру), что соответствует условию фокусировки излучения [см. например, V. Pacheco-Pena, M. Beruete, I.V. Minin, О.V. Minin. Terajets produced by 3D dielectric cuboids // Appl. Phys. Lett. 2014. V. 105. P. 084102., V. Pacheco-Pena, M. Beruete, I.V. Minin, О.V. Minin. Multifrequency focusing and wide angular scanning of Terajets // Optic Letters, 40, 245-248 (2015).]. To есть реализуется дифракционная фокусировка падающего на цилиндр излучения в отличие от рефракционного известного механизма.
0
0
0
0
Экспериментально было установлено, что диэлектрические линзы - цилиндры 1 с высотой d лежащей в диапазоне от 0.85λ до 1.3λ, где λ длина волны используемого излучения в окружающем цилиндр пространстве, выполненные из диэлектрика с относительным коэффициентом преломления N/N (N коэффициент преломления окружающей среды) лежащем в диапазоне от 1.2 до 1.75, формируют на выходе из цилиндра фотонную струю. Фотонная струя представляет собой область с повышенной электромагнитной энергией с поперечным размером менее 0.5λ и продольным размером порядка (2-3)λ, что позволяет использовать сформированную струю в квазиоптических датчиках неразрушающего контроля, канализации энергии и биомедицинских исследованиях с пространственным сверхразрешением и высокой плотностью энергии. При величине стенки диэлектрической линзы - цилиндра 1 лежащей вне указанного диапазона и диэлектрика с относительным коэффициентом преломления N/N (N коэффициент преломления окружающей среды) лежащем в вне диапазона от 1.2 до 1.75, фотонная струя на выходе цилиндра не формируется и уменьшается эффективность канализации энергии. Располагая набор цилиндров пространственно разнесенных между собой на расстояние (2) L=(2-3.5)d и с оптимальным расстоянием 2 между цилиндрами равном L=2.5d обеспечивается эффективная канализация электромагнитного излучения, при этом каждым последующим цилиндром формируется на выходе фотонная струя. Указанное расстояние между цилиндрами, как показали исследования, соответствует условию резонанса Фабри-Перо, что способствует увеличению эффективности канализации энергии в оптическом датчике. При уменьшении или увеличения указанного диапазона расстояний 2 между набором диэлектрических цилиндров 1 происходит уменьшение протяженности фотонной струи, она начинает формироваться внутри цилиндра 1, уменьшая эффективность канализации энергии. На Фиг. 5(а-б) показано распределение энергии вдоль направления распространения волны для трех цилиндров с разным коэффициентом поглощения материала диэлектрика, а на Фиг. 5в - распределение энергии вдоль направления распространения волны для одиннадцати цилиндров с разным коэффициентом поглощения материала диэлектрика. Эти результаты убедительно демонстрируют эффективность предложенного технического решения для канализации и транспортировки электромагнитной энергии. Заметим, что постоянная потерь β в диэлектрике при распространении в нем электромагнитной энергии может быть оценена по следующему выражению [Зелкин Е.Г., Петрова Р.А. Линзовые антенны. М., Сов. Радио, 1974, 280 с] и пропорциональна толщине линзы:
β=(27.3Ntgδ)H/λ, дБ,
где tgδ - тангенс угла потерь диэлектрика на рабочей частоте, H - толщина линзы.
Поскольку диэлектрические цилиндры - линзы пространственно разнесены между собой, уменьшается общее количество линз на единицу длины оптического датчика, уменьшается количество поверхностей линз на единицу длины и тем самым снижаются потери на отражение излучения между линзам.
В оптическом микродатчике на основе фотонных струй терагерцовых, ИК или оптических волн набор цилиндров 1 может быть выполнен из диэлектрика имеющего одинаковую величину коэффициента преломления материала, а так же набор цилиндров 1 может быть выполнен из диэлектрика имеющего различную величину коэффициента преломления материала в указанном диапазоне.
В оптическом микродатчике на основе фотонных струй терагерцовых, ИК или оптических волн набор цилиндров 1 может быть выполнен одного размера. Проведенные исследования показали, что формирование струй на основе диэлектрических цилиндров 1 возможно не только на основной, но и других четных частотных гармониках, а также при наклонном падении плоского волнового фронта. При величине размера цилиндра (диаметре) кратном величине D=2kλ, где k=1, 2, 3, …, формируется струя. На нечетных гармониках существенно возрастает уровень боковых максимумов рассеяния и качество фокусировки струи значительно ухудшается, уменьшая эффективность канализации энергии.
Расположение части цилиндров наклонно к направлению распространения волны позволяет изменять направление канализации и транспортировки энергии. Расположение всех цилиндров на подложке позволяет наиболее просто практически реализовать устройство.
Предлагаемый оптический микродатчик на основе фотонных струй терагерцовых, ИК или оптических волн с линзами - цилиндрами прошел экспериментальную проверку и доступен для методов вычислительного эксперимента.
Таким образом решается задача создания оптического микродатчика на основе фотонных струй терагерцовых, ИК или оптических волн с малыми поперечными размерами, минимальной толщиной диэлектрических линз, сравнимых с длиной волны излучения в свободном пространстве, с уменьшенными потерями на отражение и простотой конструкции линз.