УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ФОТОННОЙ СТРУИ С УВЕЛИЧЕННОЙ ГЛУБИНОЙ ФОКУСА

Полезная модель относится к области оптического приборостроения и относится к диэлектрическим фокусирующим устройствам, предназначенное, в частности, для фокусировки электромагнитного излучения в локальную область с субдифракционными размерами.
В настоящее время наблюдается стойкая тенденция к миниатюризации устройств детектирования сигналов, особенно дальнего ИК и терагерцового диапазона, основанных на дифракционных и интерференционных принципах, и интегрированных в единый блок (ЧИП).
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.
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).
В настоящее время основными параметрами, позволяющими оптимизировать характеристики ФНС сфероидальных частиц, являются: форма падающего волнового фронта (плоский или гауссовый), параметр Ми частицы [Рассеяние света малыми частицами / Г. ван де Хюлст; пер. с англ. Т.В. Водопьяновой, под ред. В.В. Соболева. - М.: Изд-во иностранной литературы, 1961. - 536 с.] и относительный показатель преломления материала частицы и среды [Myun-Sik Kim, Toralf Scharf, Stefan Mtihlig, Carsten Rockstuhl, and Hans Peter Herzig. Engineering photonic nanojets // OPTICS EXPRESS, Vol.19, No. 11,10206 (2011)].
В устройстве для формирования фотонной струи с оптимальными размерами этой струи (минимальный диаметр для обеспечения сверхразрешения) глубина фокуса (протяженность струи вдоль направления распространения излучения на полувысоте по уровню мощности) обычно составляет около длины волны излучения, что недостаточно для решения ряда практических задач. Кроме того, выполнение частицы в виде сфероида усложняет технологию их изготовления и не обеспечивает совместимость с другими микро- и нано-устройствами преимущественно террагерцового диапазона, а продольные размеры устройства достаточно велики, определяемые в основном размерами частицы.
Известно устройство для формирования фотонной струи террагерцового диапазона, обладающей свойствами сверхразрешения и состоящее из источника излучения и слабопоглощающей диэлектрической частицы с характерным размером, сравнимым с длиной волны падающего излучения, и расположенной вдоль направления распространения излучения [V.Pacheco-Pena, М. Beruete, I. V. Minin, О. V. Minin. Terajets produced by 3D dielectric cuboids // Appl. Phys. Lett. 105, 084102 (2014); http://dx.doi.org/10.1063/1.4894243)]. При этом частица выполнена в виде куба, а оптимальные размеры диэлектрической кубической частицы удовлетворяют соотношению:
0
где: k - эмпирический коэффициент, равный (0.90-2.2), L - высота кубоида, H - длина стороны кубоида, λ - длина волны падающего волнового фронта, n/n - относительное значение показателя преломления материала кубоида и окружающей среды.
Указанное устройство выбрано в качестве прототипа. Такое устройство позволяет упростить технологию их изготовления и обеспечить совместимость с другими микро- и нано-устройствами преимущественно террагерцового диапазона.
Однако и в этом устройстве для формирования фотонной струи с оптимальными размерами этой струи (минимальный диаметр для обеспечения сверхразрешения) глубина фокуса (протяженность струи вдоль направления распространения излучения на полувысоте по уровню мощности) обычно составляет около длины волны излучения, что недостаточно для решения ряда практических задач. А продольные размеры устройства также достаточно велики, определяемые в основном размерами частицы.
Задачей настоящей полезной модели является устранение указанных недостатков, а именно увеличение глубины фокуса фотонной струи при уменьшении продольных размеров устройства.
Указанная задача достигается тем, что в устройстве для формирования фотонной струи, состоящего из источника излучения и диэлектрической частицы с характерным размером, сравнимым с длиной волны падающего излучения, на поверхности диэлектрической частицы, обращенной к падающему волновому фронту, нанесен слой материала, не пропускающего падающее на частицу излучение, при этом поперечные размеры этого материала составляют 0.1-0.8 от максимального поперечного размера частицы.
При этом диэлектрическая частица в продольном направлении со стороны, противоположной направлению падения излучения, выполнена усеченной формы.
Полезная модель поясняется чертежами.
На фиг. 1 показано устройство для формирования фотонной струи с увеличенной глубиной фокуса.
На фиг. 2 - показана работа устройств согласно аналога (а) и прототипа (б).
На фиг. 3 показаны результаты моделирования (подтвержденные экспериментом) формирования фотонной тераструи с увеличенной глубиной фокуса: верхний рисунок - исходная частица согласно прототипа, в середине - формирование фотонной тераструи с размещенном на входной грани слое, не пропускающим излучение, внизу - формирование фотонной тераструи при частице усеченной формы.
На фиг. обозначены: 1 - падающее на частицу излучения от источника излучения, 2 - диэлектрическая слабопоглощающая частица, 3 - слой материала, не пропускающего падающее на частицу излучение, 4 - фотонная струя.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Волновой фронт от источника излучения 1 падает на диэлектрическую частицу 2, расположенную по направлению распространения излучения. В результате взаимодействия участков волновых фронтов, интерферирующих внутри материала частицы 2, формируется фотонная струя 4. Поскольку на входной (по отношению к направлению падения излучения) поверхности диэлектрической частицы располагается слой материала, не пропускающего падающее излучение 3, волновой фронт внутри частицы искажается более сильно, по сравнению с прототипом, и в результате конструктивной интерференции формируется область повышенной концентрации поля в виде фотонной струи 4. Поскольку экранирование части падающего на частицу волнового фронта приводит к сдвигу начала струи по направлению, противоположному направлению падения излучения (фиг. 3), частица выполняется усеченной для обеспечения положения начала струи вне материала частицы. Исследования показали, что при экранировании поверхности материала частицы в диапазоне 0.1-0.8 от максимального поперечного размера частицы, обеспечивается увеличенная глубина фокуса фотонной струи в 2 раза по сравнению с известными устройствами. Конкретное значение величины экранирования поверхности частицы определяется в зависимости от назначения устройства и требуемых оптимальных параметров струи.
Исследования также показали, что, например, для частицы кубической формы размером H×H×L, при уменьшении высоты куба L в 0.625 раза (усеченная частица, фиг.3) фотонная струя начинается непосредственно у поверхности кубы, глубина фокуса увеличивается не менее чем в 2 раза при неизменном поперечном разрешении.
Из теории Ми [Хюлст Г. ван де. Рассеяние света малыми частицами // Пер. с англ. Под ред. Т.В. Водопьяновой. - М.: ИИЛ, 1961. - 536 с.] известно, что оптическое поле как внутри, так и вне слабо поглощающей сферы, освещенной световой волной, характеризуется наличием пространственных зон фокусировок, называемых внутренними и внешним фокусами поля. Их появление обусловлено кривизной поверхности сферической частицы, приводящей к соответствующим деформациям падающего на частицу фазового волнового фронта. Сферическая микрочастица, таким образом, выполняет роль рефракционной сферической микролинзы, фокусирующей световое излучение в пределах субволнового объема [Ю. Гейнц, А. Землянов, Е. Панина. Микрочастица в интенсивном световом поле. - Palmarium Academic Publishing (2012), ISBN-13: 978-3-8473-9641-3. - 252 с.]. Взаимодействие аберрированных участков волнового поля внутри диэлектрической частицы носит сложный характер и зависит, в частности, от формы частицы, характеристик ее материала, параметра Ми частицы [Yu-long Ku, Cui-fang Kuang, Xiang Hao, Hai-feng Li, Xu Liu. Parameter optimization for photonic nanojet of dielectric microsphere // Optoelectronics Letters, March 2013, Volume 9, Issue 2, pp 153-156] и т.п.
При выполнении частицы в виде прямоугольного бруска, в данном устройстве оптимальные размеры диэлектрической частицы, как показали специальные исследования, должны удовлетворять соотношению:
y
0
где: k - эмпирический коэффициент, равный (0.9-2.2), H - высота прямоугольного бруска, L - длина стороны прямоугольного усеченного бруска, λ - длина волны падающего волнового фронта, n/n - относительное значение показателя преломления материала кубоида и окружающей среды.
Вопрос о фокусировки и формировании фотонной струи диэлектрической частицей с покрытием, не пропускающим падающее излучение (отражающее или поглощающее покрытие), на ее поверхности, противоположной направлению падения излучения на частицу, является не тривиальным и не очевидным.
Устройства по формированию фотонных струй с увеличенной глубиной фокуса в виде диэлектрической частицы с частично экранированной поверхностью, обращенной к направлению падения излучения, в мире на сегодня не известны. Соответственно, проведенный сопоставительный анализ предложенного технического решения с выявленными аналогами уровня техники, из которого данная заявка для специалиста в данной области знаний явным образом не следует, показал, что оно не известно и не очевидно.
С учетом вышеизложенного можно сделать вывод о соответствии настоящей заявки критериям патентоспособности.
Заявляемое устройство, кроме того, обеспечивает актуальное расширение приборного арсенала современных фокусирующих систем с субволновыми размерами, формирующих фотонные струи.
Техническим результатом является создание устройства для фокусировки фотонной струи с увеличенной глубиной фокуса в 2 раза при снижении продольных габаритов устройства.