Управляемое акустическое фокусирующее устройство
CONTROLLED ACOUSTIC FOCUSING DEVICE

Изобретение относится к неразрушающему контролю материалов и изделий и может быть использовано при ультразвуковой дефектоскопии и медицинской диагностике с использованием устройств фокусировки излучения с субдифракционным размером с переменным фокусом без использования системы подвижных линз.
Известны жидкостные линзы с переменным фокусным расстоянием, получаемые за счет вращения жидкости [А.С. СССР 1296977].
Известна линза с переменным фокусным расстоянием [А.С. СССР 1453358], в которой форма поверхности жидкостной линзы изменяется в зависимости от объема оптически прозрачной жидкости.
Известна электроуправляемая асферическая линза с переменным фокусным расстоянием [А.С. СССР 489058; Патент РФ 2434230]. Линза с электрическим управлением фокусного расстояния состоит из полой стеклянной линзы, внутрь которой введены электроды и залит, например, раствор серной кислоты. Изменение фокусного расстояния линзы происходит в результате изменения показателя преломления раствора серной кислоты при изменении управляющего напряжения.
Известно оптическое устройство с изменяемыми оптическими параметрами, которое может быть использовано в производстве миниатюрных объективов с переменным фокусным расстоянием [Патент РФ 2282221, WO 2005/122139]. Устройство содержит контейнер в котором размещено две прозрачные в области рабочих длин волн несмешивающиеся жидкости с различными показателями преломления. Первая является диэлектриком, а вторая обладает свойствами электропроводности. Жидкости взаимодействуют между собой с образованием разделяющей их межфазной поверхности. Кривизна поверхности определяет оптические параметры оптического элемента. Для управления кривизной этой межфазной поверхности контейнер оснащен электродами.
Известно управляемое фокусирующее устройство, описанное в [Patent US №6369954], в котором оптическая поверхность сформирована на границе раздела двух несмешивающихся жидкостей с различными показателями преломления.
Известны устройства с изменяемыми оптическими параметрами, основанные на использовании деформируемых оптических элементов. Например, в устройствах, описанных в [Patent US №5138494; Патент РФ №2234722; Патент РФ №2046388], применен оптический элемент, состоящий из двух линз, первая из которых представляет собой линзу с фиксированными параметрами, а вторая - деформируемую жидкостную линзу с изменяемым оптическими параметрами. Вторая линза с одной стороны ограничена поверхностью первой линзы, а с другой - прозрачной деформируемой мембраной, при этом пространство между мембраной и первой линзой заполнено прозрачной жидкостью постоянного объема. Показатели преломления жидкости, мембраны и первой линзы выбраны как можно ближе друг к другу. Прозрачная деформируемая мембрана заключена в жестком кольцевом ободе, который соединен с периферийной частью первой линзы гибкой перемычкой, дающей возможность для изменения расстояния между ободом мембраны и первой линзой. Изменение расстояния между ободом мембраны и первой линзой осуществляется механическим приводом, например винтовым. При изменении этого расстояния жидкость, заполняющая объем между мембраной и первой линзой, изменяет прогиб мембраны, что приводит к изменению фокусного расстояния оптического элемента.
2
3
Известен управляемый фокусирующий элемент, описанный в [Патент РФ №2037164], в котором изменение фокусного расстояния осуществляется под воздействием электрического поля. Это устройство содержит изготовленную из прозрачного диэлектрического материала дискообразную кювету, в полость которой введена капля прозрачной диэлектрической жидкости, например глицерина. Размер полости кюветы в направлении светового потока выбран исходя из величины капиллярной постоянной системы "жидкость - материал кюветы", таким образом, что обеспечивается капиллярный эффект сцепления жидкости со стенками кюветы. В лицевой стенке кюветы (первой со стороны светового потока) выполнена круглая выемка, в зоне которой образуется гибкий деформируемый участок свободной поверхности жидкости - своеобразная жидкая деформируемая линза, кривизна поверхности которой зависит от сил поверхностного натяжения и объемного давления. На наружных поверхностях обеих стенок кюветы, расположенных на пути светового потока, а также на внутренней поверхности лицевой стенки вокруг указанной выемки размещены прозрачные пленочные электроды, например, из InO. Эти электроды через схему управления подключены к источнику питания, создающему в пространстве между электродами электрическое поле, которое воздействует на силы поверхностного натяжения и объемного давления в жидкой линзе. В результате воздействия электрического поля жидкая линза деформируется, меняется кривизна ее поверхности и, следовательно, преломляющие свойства, что приводит к изменению фокусного расстояния оптического элемента.
Достоинством известных устройств является возможность изменения фокусного расстояния, а недостатком - низкое пространственное разрешение, не достигающего 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].
Проблема "сверхфокусировки" при рассеянии световой волны на прозрачной диэлектрической твердотельной мезоразмерной частицы с различной формой поверхности обсуждались различными научными группами [Minin, I.V. and O.V. Minin. 2016. Diffractive Optics and Nanophotonics: Resolution Below the Diffraction Limit. New York: Springer; Lukiyanchuk, В., R. Paniagua-Dominguez, I. V. Minin, О. V. Minin and Z. Wang. 2017. Refractive index less than two: photonic nanojets yesterday, today and tomorrow. Opt. Mat. Express 7(6): 1820-1847; Minin, I. V., О. V. Minin and Y. Geintz. 2015. Localized EM and photonic jets from non-spherical and non-symmetrical dielectric mesoscale objects: brief review. Annalen der Physik 527(7-8):491-497]. Такие микрочастицы-линзы могут формировать области фокусировки вблизи их теневых поверхностей, называемой фотонной струей. 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]. Фотонная струя характеризуется высоким значением пространственного разрешения до λ/3-λ/4, превышающего дифракционный предел, и высокой интенсивностью излучения.
Акустический диапазон длин волн отличается от электромагнитного диапазона. Скорость звука в жидкостях и газах существенно меньше скорости света, а в твердых телах существует две скорости звука: продольная и поперечная. Размер фокусирующих устройств, в длинах волн используемого излучения существенно меньше, чем для оптических линз и зеркал, поэтому дифракционные явления выражены наиболее сильно.
В работах [I.V. Minin and O.V. Minin, Acoustojet: acoustic analogue of photonic jet phenomenon, arXiv: 1604.08146 (2016); O.V. Minin and I.V. Minin, Acoustic analogue of photonic jet phenomenon based on penetrable 3D particle // Opt. Quant. Electron. 49, 54 (2017); J.H. Lopes, J.P. Leo-Neto, I.V. Minin, O.V. Minin, a & G.T. Silva, A theoretical analysis of acoustic jets // ICA2016, 0943, (2016).] введено понятие акустической струи (acoustojets) как аналога эффекта фотонной струи. Акустическая струя возникает только для определенных значений относительной скорости звука в материале звукопроводящей частицы и окружающей среды [Минин И.В., Минин О.В. Сверхразрешение в акустических фокусирующих устройствах // Вестник СГУГИТ, Том 23, №2, 2018, с. 231-244; J.Н. Lopes, М. А. В. Andrade,  J.С. Adamowski, I.V. Minin, and G.T. Silva. Focusing Acoustic Beams with a Ball-Shaped Lens beyond the Diffraction Limit // Phys. Rev. Applied 8, 024013 (2017), Doi: 10.1103/PhysRevApplied 8.024013]. Причем с увеличением этого параметра возрастает максимальное значение давления в акустической струе, увеличивается пространственное разрешение такой звукопроводящей частицы и область фокусировки сдвигается в тело звукопроводящей частицы.
Известна акустическая линза [Патент РФ 167049. Акустическая линза для формирования области фокусировки непосредственно за теневой поверхностью //, Опубликовано: 20.12.2016 Бюл. №35]. Акустическая линза выполнена с возможностью формирования области фокусировки непосредственно за теневой поверхностью. Линза содержит преломляющую среду из акустически проводящего материала, при этом скорость звука в преломляющей среде не превышает скорость звука в окружающей среде больше чем в 2,5 раза. Линза выполнена в виде трехмерной частицы, например, в виде сферы, цилиндра, кубоида, пирамиды с характерными размерами порядка длины волны акустического излучения в среде, с относительной скоростью звука в материале частицы не менее 1,1 и относительным волновым сопротивлением не более 25.
Достоинством акустической линзы является возможность сформировать область фокусировки непосредственно за теневой поверхностью с размерами в поперечном (относительно направления распространения излучения) направлении на уровне половинной мощности менее классического дифракционного предела - до четверти длины волны акустического излучения в среде λ, и с протяженностью области фокусировки (1-5)λ, чем достигается повышение локализации сфокусированного акустического поля до субволнового значения.
Недостатком акустической линзы является невозможность оперативного изменения фокусного расстояния бесконтактным методом.
Известна газонаполненная акустическая линза [Патент РФ 170911. Акустическая линза // Опубликовано: 15.05.2017 Бюл. №14] в форме кубоида или сферы. Акустическая линза содержит оболочку из податливого материала, заполненную газом. При этом оболочка выполняется в форме кубика с размером ребра не менее λ/2, а заполняемое вещество оболочки имеет скорость звука относительно скорости звука в окружающей среде, лежащую в диапазоне от 0,5 до 0,83. При таких параметрах акустическая линза формирует на своей теневой стороне акустострую и может работать в звуковом диапазоне длин волн.
Достоинством акустической линзы является высокое формируемое пространственное разрешение.
Недостатком акустической линзы является невозможность оперативного изменения фокусного расстояния бесконтактным методом.
В качестве сред с электрически управляемым показателем преломления в акустике и микроволновом диапазоне могут быть использованы жидкие кристаллы.
Линзы на основе сред с электрически управляемым показателем преломления имеют возможность электрически управлять их фокусирующими характеристиками: фокусным расстоянием, пространственным разрешением.
В качестве прототипа выбрано устройство по патенту [А.С. СССР 920519. Способ управления фокусным расстоянием акустической линзы], состоящее из акустической плоско-выпуклой линзы образованной тонкостенной жесткой оболочкой, заполненной жидким кристаллом и помещенной внутрь магнитной катушки. Управление осуществляется путем подачи напряжения на обмотку катушки.
Оболочка линзы выполнялась из стали Х17Н12М2Т и применялся жидкий кристалл МББА 2 типа, в качестве иммерсионной жидкости использовалась вода. В данном устройстве было достигнуто изменение фокусного расстояния на 30 мм.
Достоинством акустической линзы является возможность оперативного изменения фокусного расстояния бесконтактным методом.
Недостатком акустической линзы является низкое формируемое пространственное разрешение, не превышающее дифракционного предела.
Задачей данного изобретения является разработать управляемое акустическое устройство фокусировки излучения с субдифракционным размером.
Техническим результатом является возможность бесконтактным методом управлять фокусирующими свойствами мезоразмерного фокусирующего устройства в акустике с фокусировкой излучения в область с субдифракционным размером.
Поставленная задача достигается тем, что управляемое акустическое фокусирующее устройство, состоит из акустической плоско-выпуклой линзы образованной тонкостенной жесткой оболочкой, заполненной жидким кристаллом и помещенной внутрь магнитной катушки, согласно изобретению, линза выполнена в форме мезоразмерной частицы с характерным размером не менее λ, где λ длина волны используемого излучения, а заполняемое вещество оболочки имеет скорость звука относительно скорости звука в иммерсионной среде, лежащего в диапазоне от 0,5 до 0,83. Кроме того, мезоразмерная частица имеет форму сферы. Кроме того, мезоразмерная частица имеет форму цилиндра, при падении излучения на его боковую поверхность. Кроме того, мезоразмерная частица имеет форму цилиндра, при падении излучения на его основание. Кроме того, мезоразмерная частица имеет форму кубоида. Кроме того, мезоразмерная частица имеет форму кругового конуса, при падении излучения на его вершину. Кроме того, мезоразмерная частица имеет форму кругового конуса, при падении излучения на его основание.
Изобретение поясняется чертежами.
Фиг. 1. Схема управляемого акустического фокусирующего устройства с мезоразмерной частицей в форме сферы (а); в форме цилиндра, при падении излучения на его боковую поверхность (б); форме цилиндра, при падении излучения на его основание (в); в форме кубоида (г); в форме кругового конуса, при падении излучения на его вершину (д); в форме кругового конуса, при падении излучения на его основание (е).
Обозначения: 1 - падающее акустическое излучение на фокусирующее устройство; 2 - мезоразмерная частица в форме сферы, заполненная жидким кристаллом; 3 - мезоразмерная частица в форме цилиндра, заполненного жидким кристаллом при падении излучения на его боковую поверхность; 4 - мезоразмерная частица в форме цилиндра, заполненного жидким кристаллом при падении излучения на его основание; 5 - мезоразмерная частица в форме кубоида, заполненная жидким кристаллом; 6 - мезоразмерная частица в форме кругового конуса, заполненная жидким кристаллом при падении излучения на его вершину; 7 - мезоразмерная частица в форме кругового конуса, заполненная жидким кристаллом при падении излучения на его основание; 8 - катушка; 9 - иммерсионная среда; 10 - область фокусировки излучения.
Минимальный размер устройства для фокусировки излучения составляет порядка длины волны используемого излучения. При меньшем характерном размере фокусировка излучения не происходит.
Работа устройства происходит следующим образом. Акустическое излучение 1 при прохождении через тонкостенную жесткую оболочку с жидким кристаллом 2, 3, 4, 5, 6 или 7 фокусируется в область фокусировки 10. Фокусное расстояние зависит от скорости звука в материале мезоразмерной частицы 2-7. При изменении скорости звука в материале мезоразмерной частицы 2-7 относительно скорости звука в иммерсионной среде 9 примерно до 0,83 область фокусировки смещается от теневой поверхности частицы и пространственное разрешение приближается к дифракционному пределу. А при уменьшении менее 0,5 - смещается внутрь тела частицы.
При регулировании напряжения U на зажимах катушки 8, изменяется напряженность магнитного поля внутри катушки с мезоразмерной частицей 2-7 и в жидком кристалле, что изменяет ориентацию молекул в нем скорость звука. В результате изменяется показатель преломления жидкого кристалла и фокусное расстояние фокусирующего устройства.
Оболочка мезоразмерной частицы может быть выполнена, например, из стали Х17Н12М2Т или рексолита. Целесообразно выбирать материал с величиной импеданса близкого к импедансу иммерсионной среды.
Известно, что нематические жидкие кристаллы обладают анизотропией скорости звука [В.П. Романов, С.В. Ульянов. Анизотропия скорости звука в нематической фазе жидких кристаллов // Акустический журнал, 1991, т 37, Вып. 2, с. 386-394; А.С. Кашицын. Акустическая и диэлектрическая релаксация в жидких кристаллах // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2008, No 6, с. 53-58].
В качестве иммерсионной среды можно применять жидкости или смеси жидкостей для обеспечения необходимой величины относительной скорости звука, например, глицерин (1904 м/с), вода (1493 м/с), киросин (2330 м/с), масло льняное (1772 м/с), масло горчичное (1825 м/с) и т.д.
Еще одним достоинством предлагаемого устройства, является возможность его применения в микроволновом диапазоне и на террагерцах. Пример анизотропных параметров типичного нематического жидкого кристалла (Е7) в СВЧ и терагерцовом диапазоне приведен в таблице 1 [Iam Choon Khoo and Shuo Zhao. Multiple Time Scales Optical Nonlinearities of Liquid Crystals for Optical-Terahertz-Microwave Applications // Progress In Electromagnetics Research, Vol. 147, 37-56, 2014].
В этом случае, в качестве иммерсионной среды выступает воздух с показателем преломления равным единице.