Устройство для фокусировки излучения с субдифракционным разрешением

Полезная модель относится к фокусировке когерентного оптического, террагерцового и сверхвысокочастотного излучения для получения фокусного пятна с заданной шириной меньше дифракционного предела в 3D случае. Данное устройство для фокусировки излучения с субдифракционным разрешением может быть использовано в изображающих устройствах, устройствах интегральной оптики, для соединения оптических волноводов, для ввода излучения в фотонно-кристаллические волноводы, в системах видения и дефектоскопии, в микроскопах, для фокусировки электромагнитного излучения в локальную область с субдифракционными размерами.
Для фокусировки когерентного излучения используются различные типы линз. Самым простым вариантом являются обычные сферические или асферические линзы.
Другой вариант планарной линзы для фокусировки излучения описан в работе Graded index photonic crystals / H. Kurt, D.S. Citrin / Optics Express, 2007. - V. 15. - P. 1240-1252. В этой работе применена фотонно-кристаллическая микролинза для фокусировки света, аналог градиентной линзы. Фотонный кристалл выполнен с помощью создания в  материале с показателем преломления n=3,47 круглых отверстий, диаметр которых варьировался для получения среднего показателя преломления.
Недостаток такой линзы заключается в недостаточно острой фокусировке когерентного излучения и сложности устройства.
Авторами получено значение ширины фокусного пятна по полуспаду интенсивности (FWHM) около 0,5λ в среде с показателем преломления n=3,47. С помощью такой линзы невозможно получить фокусное пятно с шириной, намного меньшей 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].
Для получения наиболее острой фокусировки следует фокусировать когерентное излучение вблизи раздела двух сред, например, материал фокусирующего устройства с показателем преломления n>1 и воздух с показателем преломления 1. Вблизи поверхности раздела сред возбуждаются поверхностные электромагнитные волны, конструктивная интерференция которых может приводить к уменьшению фокусного пятна ниже дифракционного предела.
x
x
0
0
Это возможно потому, что поверхностные волны имеют проекцию волнового вектора k на поперечную координату x большую, чем волновое число в среде: k>kn, где k=2π/λ - волновое число в вакууме.
Наилучшими фокусирующими свойствами обладают градиентные линзы. В частности, планарная микролинза, показатель преломления которой описывается гиперболическим секансом:
,
0
где H - длина линзы, n - максимальный показатель преломления на оптической оси, x - поперечная координата [Микаэлян А.Л. Применение свойств среды для фокусирования волн // Доклады академии наук СССР. - 1951. - Вып. 81. - С. 569-571]. Такие линзы могут быть созданы с помощью аппроксимации градиентного показателя преломления дифракционной субволновой микроструктурой, например, с помощью фотонных кристаллов.
Однако ширина фокусного пятна в данной 2D линзе близка к 0,5 длине волны когерентного излучения и линза сложна в изготовлении.
Известна планарная цилиндрическая микролинза, имеющая прямоугольную входную апертуру, выполненная в виде градиентного фотонного кристалла, при этом вдоль оптической оси микролинзы выполнена щель, с длиной щели меньше или равна длине микролинзы [Патент РФ № 2539850].
Такая 2D линза обеспечивает фокусировку ТМ-поляризованного света в пятно шириной менее дифракционного предела, порядка 0,03 длины волны когерентного излучения.
Недостатком такого устройства является невозможность фокусировки в 3D случае и сложность реализации градиентного фотонного кристалла.
Преодолеть дифракционный предел в оптике можно различными способами, например, с помощью эффекта «фотонной наноструи» (например, см. A.Heifetz et al. Experimental confirmation of backscattering enhancement induced by a photonic jet // Appl. Phys. Lett., 89, 221118 (2006)). Поперечный размер фотонной наноструи составляет 1/3…1/4 длины волны излучения, что меньше дифракционного предела классической линзы.
При этом формировать локальные области концентрирования электромагнитной энергии вблизи поверхности мезоразмерных диэлектрических частиц возможно с помощью частиц различной формы, например, в форме сферы, усеченной сферы, куба, пирамиды, конуса, цилиндра, диска и т.д. при облучении их электромагнитной волной с плоским волновым фронтом и т.д. [I.V. Minin and O.V. Minin. Diffractive optics and nanophotonics: Resolution below the diffraction limit, Springer, 2016 http://www.springer.com/us/book/9783319242514#aboutBook].
В результате проведенных исследований, было обнаружено, что диэлектрические мезочастицы в форме куба (гексаэдра), с характерным размером не менее λ/2, где λ - длина волны используемого излучения, с относительным коэффициентом преломления материала лежащего в диапазоне от 1,2 до 1,7, при ее облучении электромагнитной волной с плоским волновым фронтом, формируют на ее внешней границе с противоположной стороны от падающего излучения локальную область с повышенной интенсивностью излучения с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4 [V. Pacheco-Pena, M. 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)].
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].
В качестве прототипа выбрано устройство [патент РФ на полезную модель №164738. Устройство для фокусировки излучения метакубоидной плоской линзой]. Устройство для фокусировки излучения, фокусирующего излучение от источника излучения и имеющее плоские входную и выходную апертуры, выполнено в форме кубоида из метаматериала с эффективным относительным показателем преломления (по отношению к показателю преломления окружающей среды), лежащего 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 устройство, k - эмпирический коэффициент k=0,98…1,2.
Такое устройство для фокусировки излучения в «фотонную струю» имеет следующие недостатки: сложность изготовления и не возможность фокусировки когерентного излучения в область с поперечными размерами менее 0,25 λ.
Задача данной полезной модели разработать устройство для фокусировки когерентного электромагнитного излучения  в пятно шириной менее дифракционного предела, порядка 0,025 длины волны излучения с помощью диэлектрического куба и с возможностью простого практического изготовления и минимальными габаритами.
Техническим результатом является обеспечение фокусировки когерентного электромагнитного излучения в пятно шириной менее дифракционного предела, менее 0,25 λ.
Поставленная задача достигается тем, что устройство для фокусировки излучения с субдифракционным разрешением выполненное в форме куба с длиной каждого ребра куба L≈kλN, N=1, 2, 3 …, где λ - длина волны излучения освещающего куб, k - эмпирический коэффициент k=0,98…1,2 новым является то, что куб выполнен из материала с эффективным относительным показателем преломления, по отношению к показателю преломления окружающей среды и лежащего в диапазоне от 1,9 до 2,1, а вдоль оси симметрии куба, проходящей через центр противолежащих граней и параллельно падающему излучению, с обратной стороны куба по отношению к падающему излучению выполнено отверстие, при этом длина отверстия меньше или равна длине ребра куба, а характерный поперечный размер отверстия не превышает 0,25λ. Кроме того, поперечное сечение отверстия имеет форму квадрата. Кроме того, поперечное сечение отверстия имеет форму круга.
Полезная модель поясняется чертежами.
На Фиг. 1 приведено сечение устройства для фокусировки излучения с субдифракционным разрешением.
На Фиг. 2 приведено распределение интенсивности когерентного излучения в фокальной плоскости устройства для фокусировки излучения с субдифракционным разрешением в двух плоскостях с величиной поперечного сечения отверстия равного 0,05 λ и 0,025λ.
Обозначения: 1 - когерентное электромагнитное излучение, 2 - диэлектрический куб, 3 - отверстие в кубе, H - величина ребра куба, L - длина отверстия, а - поперечный размер отверстия.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Когерентное электромагнитное излучение 1 падает на устройство для фокусировки излучения с субдифракционным разрешением в форме диэлектрического куба 2 с отверстием 3, выполненного вдоль оси симметрии куба 2, проходящей через центр противолежащих граней и параллельно падающему излучению и расположенной по направлению распространения излучения с обратной стороны куба 2 по отношению к падающему излучению 1. При этом, длина каждого ребра куба 2 равна L≈kλN, N=1, 2, 3 …, где λ - длина волны излучения освещающего куб, k - эмпирический коэффициент k=0,98…1,2. Куб выполнен из материала с эффективным относительным показателем преломления, по отношению к показателю преломления окружающей среды и изменяющегося в диапазоне от 1,9 до 2,1, а характерный поперечный размер отверстия 3 не превышает 0,25λ.
В результате взаимодействия участков волновых фронтов, интерферирующих внутри материала куба 2, внутри отверстия 3 на границе грани куба - внешняя среда формируется область фокусировки излучения с повышенной концентрацией поля.
В случае наличия отверстия 3 в диэлектрическом кубе 2 когерентная волна излучения может распространяться в ней как в волноводе, а фокусировка излучения кубом сосредоточит энергию поля внутри отверстии 3 на границе диэлектрик - внешняя среда. Ширина фокусного пятна, сформированного на границе фокусирующего устройства, будет близка к характерному поперечному размеру отверстия 3, что позволит создавать фокусирующие устройства со сколь угодно малым фокусом. Чем меньше поперечный размер отверстия, тем уже поперечное распределение интенсивности электромагнитного поля в фокусе, но и тем меньше интенсивность когерентного электромагнитного излучения в фокусе. Длина отверстия L может быть как равна длине ребра куба, так и быть меньше ее.
В результате экспериментальных исследований и результатов математического моделирования было обнаружено, что при выполнении фокусирующего устройства в форме куба с отверстием, выполненного вдоль оси симметрии куба, проходящей через центр противолежащих граней и параллельно падающему излучению, с обратной стороны куба по отношению к падающему излучению, с поперечным сечением  в форме квадрата или круга и характерным поперечным размером отверстия, не превышающего 0,25λ из материала с эффективным относительным показателем преломления, по отношению к показателю преломления окружающей среды менее 1,9 формируемое фокальное пятно имеет поперечные размеры более 0,25λ, а при относительном показателе преломления более 2,1 область фокусировки лежит внутри отверстия.
Из результатов, представленных на Фиг.2 следует, что ширина фокального пятна по полуспаду интенсивности составляет 0,047λ и 0,051λ в плоскостях ZY и ZX соответственно, при характерном поперечном размере сечения отверстия равного 0,05λ , и величине ребра куба равного λ и относительном показателе преломления равного 2. Для отверстия с поперечным размером равным 0,025λ,  следует, что ширина фокального пятна по полуспаду интенсивности составляет 0,023λ и 0,026λ в плоскостях ZY и ZX соответственно.
2
2
2
2
В качестве материалов для изготовления устройства фокусировки когерентного излучения могут быть использованы, например: диоксид циркония ZrO, прозрачного в спектральном диапазоне 0,25-7,0 мкм с показателем преломления 1.97-2.05, тяжелые баритные  флинты, например, ТБФ14  с показателем преломления 1.9624, сверхтяжелые флинты, например, СТФ2, СТФ11 с показателем преломления соответственно равным 1.9554, 2.0711, плавленый кварц с показателем преломления 1.95-2 в диапазоне длин волн 0,3-30 мм, композиты с наполнителем из TiOв матрице из фторопласта, полистирола или полиэтилена с показателем преломления порядка 2, керамика MgF  с показателем преломления 2,167  на длине волны 1 мм, ЦМ-4  с показателем преломления 2,17  на длине волны 2 мм [ГОСТ 3514-94, Минин И.В., Минин О.В. Дифракционная квазиоптика и ее применения. Новосибирск: СибАГС, 1999. - 306 с.] и т.д.
Устройство для фокусировки излучения с субдифракционным разрешением в виде диэлектрического безградиентного куба с куба с отверстием, выполненного вдоль оси симметрии куба, проходящей через центр противолежащих граней и параллельно падающему излучению, с обратной стороны куба по отношению к падающему излучению, с поперечным сечением  в форме квадрата или круга и характерным поперечным размером отверстия, не превышающего 0,25λ из материала с эффективным относительным показателем преломления, по отношению к показателю преломления окружающей среды лежащего в диапазоне от 1,9 до 2,1 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.
Из приведенного примеров видно, что устройство 3D фокусировки когерентного электромагнитного излучения на основе диэлектрического куба с отверстием формирует фокусное пятно с шириной менее дифракционного предела, порядка 0,025 длины волны излучения и с возможностью простого практического изготовления и минимальными габаритами в отличие от простых градиентных и аналогичных им линз, устройств формирования фотонных струй (прототип). Кроме того, подбирая длину отверстия L, можно увеличить интенсивность излучения в фокусе устройства.