Устройство формирования пучка Эйри в терагерцовом диапазоне длин волн

Полезная модель относится к области преобразования волновых пучков  и относится к устройствам, реализующих способ формирования самоизгибающихся пучков Эйри в терагерцовом диапазоне длин волн.
Наиболее известным примером изогнутого электромагнитного пучка является пучок Эйри, который был предсказан Берри и Балазом в 1979 году [M. V. Berry and N. L. Balazs, Nonspreading wave packets // Am. J. Phys. 47, 264 (1979)] и экспериментально продемонстрирован Siviloglou et al. в 2007 году [G. A. Siviloglou, J. Broky, A. Dogariu, and D. N. Christodoulides, Observation of Accelerating Airy Beams // Phys. Rev. Lett. 99, 213901 (2007)]. Пучки Эйри представляют собой «ускоренные» пучки, движущиеся по параболической траектории. На основе самоускоряющихся пучков проведено множество исследований в области захвата частиц [J. Baumgartl, M. Mazilu, and K. Dholakia, Optically mediated particle clearing using Airy wavepackets // Nat. Photonics 2, 675 (2008)], плазмы [P. Polynkin, M. Koleskik, J. V. Moloney, G. A. Siviloglou, and D. N. Christodoulides, Curved plasma channels generation using ultraintense Airy beams // Science 324, 229 (2009)], поверхностных плазмонных поляритонов [Lin, J. Dellinger, P. Genevet, B. Cluzel, F. de Fornel, and F. Capasso, Cosine-Gauss Plasmon Beam: A Localized Long-Range Nondiffracting Surface Wave // Phys. Rev. Lett. 109, 093904 (2012); L. Li, T. Li, S. M. Wang, and S. N. Zhu, Collimated Plasmon Beam: Nondiffracting versus Linearly Focused // Phys. Rev. Lett. 110, 046807 (2013)], оптических микроскопов [WO 2016/016642 Al, Airy beam light sheet and Airy beam light sheet microscope], нелинейной оптики [T. Ellenbogen, N. Voloch-Bloch, A. Ganany-Padowicz, and A. Arie, Nonlinear generation and manipulation of Airy beams // Nat. Photonics 3, 395 (2009)], и электронных пучков [N. Voloch-Bloch, Y. Lereah, Y. Lilach, A. Gover, and A. Arie, Generation of electron Airy beams. // Nature 494, 331 (2013)]. Одно из важных применений пучков Эйри - создание оптических манипуляторов с целью перемещения микрочастиц вдоль криволинейных траекторий - позволяет уменьшить световую нагрузку на биологические ткани. Это объясняется тем, что протяженный фокус пучка Эйри не содержит выделенных участков с максимальной концентрацией световой энергии, аналогичных фокальной плоскости гауссовых пучков.
Устройства формирования пучков Эйри, состоят из источника излучения и базовой оптической схемы. Базовая оптическая схема для формирования пучков Эйри включает цилиндрическую линзу и пространственный модулятор света (ПМС). Последний располагается в передней фокальной плоскости цилиндрической линзы, а пучок Эйри формируется в задней фокальной плоскости линзы и ее окрестности. При этом модулятор осуществляет кубическую фазовую модуляцию падающего гауссова пучка, т.е. действует как так называемая кубическая линза, а кривизна траектории определяется параметром, определяющим темп нарастания кубической фазы [G. A. Siviloglou, J. Broky, A. Dogariu, and D. N. Christodoulides, Observation of Accelerating Airy Beams // Phys. Rev. Lett. 99, 213901 (2007)]. Формирование лазерных пучков Эйри осуществляют и с помощью бинарно-кодированных дифракционных оптических элементов [В.В.Котляр, А.А.Ковалев. Ускоряющиеся и вихревые лазерные  пучки.
М, Физматлит, 2018]. В качестве аналога ПМС применяют и дифракционные решетки [N. Gao, H. Li, X. Zhu, Y. Hua, and C. Xie. Quasi-periodic gratings: diffraction orders accelerate along curves // Opt. Lett., 38(15) 2829 (2013)], создающие «изогнутые» дифракционные порядки. Используют для получения пучков типа Эйри и метаповерхности [J. He, S.Wang, Z. Xie, J. Ye, X. Wang, Q. Kan, Y. Zhang, Abruptly autofocusing terahertz waves with meta-hologram // Opt. Lett. 41 (2016) 2787], которые сегодня, однако, достаточно сложны и дорогостоящи.
Существенно, что характерный диаметр пучка семейства Эйри обычно составляет несколько длин волн, с длиной примерно равной диаметру оптического элемента, много большего длины волны. Принципиально, что при этом пучки типа Эйри обычно генерируются с использованием сложного оптического элемента с кубической фазой (или ПМС) за фокусом сферической линзы.
Масштабирование принципов генерации пучков типа Эйри в терагерцовый диапазон из оптического невозможно, поскольку ПМС не работают в ТГц-диапазоне из-за отсутствия материалов с требуемой модуляцией [Chan W. L., Chen H.-T., Taylor A. J., Brener I., Cich M. J. and Mittleman D. M. A spatial light modulator for terahertz beams // Appl. Phys. Lett. 94, 213511 (2009)].
В ближней (около 1-2 длины волны излучения) зоне, формирование изогнутых световых пучков возможно и при дифракции плоской линейно-поляризованной волны на угловой фазовой микроступеньке [P.-K. Wei, H.-Li Chou, and W.-L. Chang. Diffraction-induced near-field optical images in mesoscale air-dielectric structures // J. Opt. Soc. Am. B, 20(7), 1503 (2003)] из плавленого кварца, когда формируется гиперболически искривленная фотонная струя (вытянутая область повышенной интенсивности) длиною около 10 длин волн и с меньшим диаметром, равным около 2 длин волн [V.V. Kotlyar, S.S. Stafeev, and A.A. Kovalev. Curved laser microjet in near field // Applied Optics, 52(18), 4131 (2013)]. Получение изогнутых пучков в ближнем поле с малыми размерами является критическим в такой области как, например, оптические системы памяти.
В качестве прототипа выбрано устройство по патенту US 8101929 B1, МПК GO2B 27/56, H05H 3/04, G21К 1/06, DIFFRACTION FREE, SELF-BENDING AIRY WAVE ARRANGEMENT. Известное устройство формирования самоизгибающегося пучка Эйри, содержит источник электромагнитного излучения, кубическую фазовую маску, устройство преобразования Фурье (линзы).
Однако известное устройство достаточно сложно в применении и реализации, не позволяет оперативно управлять положением и формой области фокусировки излучением в терагерцовом диапазоне длин волн.
Задачей настоящей полезной модели является устранение указанных недостатков, а именно упрощение устройства формирования пучка Эйри в терагерцовом диапазоне длин волн при возможности оперативно управлять положением и формой области фокусировки.
Указанная задача достигается тем, что в устройстве формирования изгибающегося пучка Эйри в терагерцовом диапазоне длин волн, содержащим источник электромагнитного излучения, фазовую маску, новым является то, что между источником излучения и фазовой маской размещается управляемая оптическим излучением диафрагма, формирующая узкий пучок излучения и расположенная не симметрично относительно оптической оси устройства, а фазовая маска выполнена в виде цилиндрической линзы. Кроме того, диафрагма расположена непосредственно на освещенной поверхности линзы. Кроме того, диафрагма выполнена из тонкого слоя полупроводникового материала, например, кремния, германия. Кроме того, диафрагма выполнена из тонкого слоя графена.
Узкий пучок понимается как пучок сечение которого меньше, чем апертура цилиндрической линзы.
Заявителем не выявлены какие-либо технические решения, идентичные заявленному, что позволяет сделать вывод о соответствии настоящей полезной моделии критерию «новизна».
Заявителем не выявлены источники информации, в которых содержались бы сведения о влиянии отличительных признаков полезной модели на достигаемый технический результат. Указанные новые свойства объекта обусловливают, по мнению заявителя, соответствие полезной модели критерию «изобретательский уровень».
Полезная модель поясняется чертежами.
На Фиг. 1 приведен пример результатов математического моделирования при формировании изогнутого пучка Эйри при облучении диэлектрического цилиндра внеосевым узким пучком, диаметр цилиндра 8 мкм, показатель преломления N=1,45, длина волны излучения λ=0,5 мкм, центр внеосевого пучка смещен от оптической оси цилиндрической линзы на 3 мкм и результат формирования фотонной струи при облучении цилиндрической линзы широким пучком.
На Фиг. 2 приведена блок-схема устройства формирования самоизгибающегося пучка Эйри с оптически управляемой диафрагмой.
На Фиг. 3 приведена блок-схема устройства формирования самоизгибающегося пучка Эйри с оптически управляемой диафрагмой расположенной непосредственно на освещенной поверхности линзы.
Обозначения: 1 - источник электромагнитного и акустического излучений, 2 - широкий электромагнитный и акустический пучок, 3 - оптически управляемая диафрагма, не прозрачная для падающего излучения, 4 - формируемый узкий пучок, 5 - цилиндрическая линза, 6 - пучок Эйри, 7 - оптически управляемая дифрагма, расположенная непосредственно на освещенной поверхности линзы, 8 - источник оптического излучения.
Устройство формирования изгибающегося пучка Эйри в терагерцовом диапазоне длин волн работает следующим образом.
Источник электромагнитного (лазер, диод Ганна, лампа обратной волны и т.д.) излучения 1 формирует широкий электромагнитный пучок терагерцового излучения 2, который освещает оптически управляемую диафрагму 3, являющейся непрозрачной для падающего излучения, в случае ее освещения оптическим излучением, формируемым источников 8. В терарецовом диапазоне диафрагма может быть изготовлена, например, из полупроводника, например, кремния, германия. Известно, что при облучении полупроводникового материала он переходит в проводящее состояние и становится непрозрачным для терагерцового и СВЧ излучения [Reed GT, Mashanovich G, Gardes FY, Thomson DJ. Silicon optical modulators. Nat Photon. 2010;4:518-26; Liu J, Beals M, Pomerene A, Bernardis S, Sun R, Cheng J, et al. Waveguide-integrated, ultralow-energy GeSi electro-absorption modulators. Nat Photon. 2008;2:433-7.]. При изготовлении оптически управляемой диафрагмы из монослоя графена и облучении его оптическим излучением в диапазоне, например, 1550 нм [Bergen, M.H., Born, B., Geoffroy-Gagnon, S., and Holzman, J.F., "Terahertz microjets and graphene: Technologies toward ultrafast all-optical modulation," Proc. IEEE Photonics Society Summer Topical Meeting Series (SUM), 10-12 July 2017, San Juan, Puerto Rico, paper 17103908 (2017); Wen, Q., Tian, W., Mao, Q., Chen, Z., Liu, W., Yang, Q., Sanderson, M. and Zhang, H. “Graphene based all-optical spatial terahertz modulator,” Sci. Reports, 4, 1-5 (2014)]. Он переходит в состояние, не пропускающее терагерцовое и СВЧ излучение. Диафрагмой 3 формируется узкий пучок излучения который освещает внеосевую часть цилиндрической линзы 5. Для упрощения устройства формирования самоизгибающегося пучка Эйри диафрагма 3 может быть совмещена с линзой 5 и расположена непосредственно на освещенной поверхности линзы.
Меняя параметры облучения оптическим излучением оптически управляемую диафрагму, становится возможным оперативно управлять положением и формой области фокусировки, от осесимметричной фотонной струи до изгибающегося пучка Эйри в терагерцовом диапазоне длин волн.