УСТРОЙСТВО КАНАЛИЗАЦИИ И СУБВОЛНОВОЙ ФОКУСИРОВКИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН

Полезная модель относится к устройствам канализации и фокусировки электромагнитных волн, в частности к дифракционным устройствам линий передачи и может быть использована для передачи энергии в различных датчиках неразрушающего контроля, биомедицинских исследованиях с субволновым пространственным разрешением и высокой плотностью энергии.
-3
-4
Из технической литературы известно, что для канализации электромагнитного излучения применяются: металлические полые волноводы; линии поверхностной волны - диэлектрические волноводы; квазиоптические линии, состоящие из передающих и приемных апертур [см., например, 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 терагерцовом и ИК диапазонах. В диэлектрических волноводах, затухание растет пропорционально частоте излучения электромагнитной волны [Техника субмиллиметровых волн. Под ред. Р.А. Валитова. Сов. Радио, 1969, 480 с. 257]. Суммарные потери диэлектрического волновода включает в себя потери в диэлектрике и в окружающей волновод среде. Наиболее существенными являются потери в материале диэлектрика. В отличие от оптического диапазона длин волн в микроволновом и ИК диапазоне, даже лучшие материалы, обладают значительными потерями, тангенс угла потерь 10-10 что делает невозможным их применение в терагерцовом и ИК диапазоне.
Квазиоптические линии - линзовые лучевые волноводы [Техника субмиллиметровых волн. Под ред. Р.А. Валитова. Сов. Радио, 1969, 480 с., с. 274-296] состоят из набора рефракционных линз, установленных вдоль направления распространения излучения.
Известно устройство линзовой линии передач, состоящей из идентичных сферических линз, диаметром 10 длин волн, установленных на одной оси вплотную друг к другу [Князьков Л.Б., Руженцев Н.В. Пенодиэлектрическая линзовая линия передач миллиметрового и субмиллиметрового диапазона длин волн // Письма в ЖТФ, 2008, т. 34, вып. 20, с. 59-64.]. Недостатками такого устройства является значительная общая толщина диэлектрика в направлении распространения излучения, сложность устройства и невозможность фокусировки (локализации) электромагнитной волны в область, меньше классического дифракционного предела.
Известно устройство канализации оптического излучения, состоящее из источника излучения, множества оптически прозрачных идентичных сфер, расположенных вплотную друг к другу в направлении распространения излучения [Patent US N 8554031, G02B 6/00, B01J 19/12. Focusing multimodal optical microprobe devices.], при этом излучение падающее на сферу формирует «фотонную струю» с высоким пространственным разрешением, т.е. порядка или меньше λ. Излучение периодически фокусируется вдоль цепочки одинаковых сфер, что приводит к появлению периодических оптических мод. Для получения фотонных струй используются сферы диаметром от 4λ, до 20λ и коэффициентом преломления от 1.4 до 1.71 [Seungmoo 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 является значительная общая толщина диэлектрика в направлении распространения излучения и связанные с этим потери энергии в материале линз, сложность устройства.
Ближайшим техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является устройство оптической линии передач [Патент СССР №171453, МПК Н01Р 3/20, Оптическая линия передачи миллиметровых и субмиллиметровых волн.], состоящего из набора диэлектрических линз эллиптической формы с изменяющейся по квадратичному закону толщиной, пространственно разнесенных между собой на равные расстояния и расположенных вдоль направления распространения волн. В квазиоптической линии передач используются линзы диаметром 10-40λ, а собственная толщина линзы пропорциональна ее диаметру [Зелкин Е.Г., Петрова Р.А. Линзовые антенны. М., Сов. Радио, 1974, 280 с.] и превышает длину волны используемого излучения в свободном пространстве. 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, Н - толщина линзы.
Недостатком такого устройства являются большая толщина линз и сложность изготовления диэлектрических линз. Кроме того принципиально, что с помощью классических линз невозможно локализовать электромагнитное поле в область пространства, меньше дифракционного предела.
Задачей предлагаемой полезной модели является создание устройства канализации и субволновой (меньше классического дифракционного предела) фокусировки электромагнитных волн, отличающегося малыми размерами, минимальной суммарной толщиной диэлектрических линз, сравнимых с длиной волны излучения в свободном пространстве и простотой конструкции линз.
Технический результат выражается в том, что устройство канализации и субволновой фокусировки электромагнитных волн имеет минимальную суммарную толщину диэлектрических линз, порядка длины волны в свободном пространстве и простоту конструкции линз, исключив их сложный профиль при конечной фокусировке электромагнитной волны в область с субволновыми (меньше дифракционного предела) размерами.
Сущность изобретения заключается в том, что в устройстве канализации и субволновой фокусировки электромагнитных волн, включающим набор диэлектрических линз, пространственно разнесенных между собой и расположенных вдоль направления распространения волн, согласно изобретению, линзы выполнены в виде кластера самоподобных диэлектрических частиц, формирующих фотонные струи, с уменьшением масштаба каждой последующей частицы по направлению распространения излучения.
0
0
При этом каждая линза выполнена в виде кубоида с величиной грани L лежащей в диапазоне (0.85λ…1.3λ)*K, где λ - длина волны излучения в свободном пространстве, а линзы выполнены из диэлектрика с относительным коэффициентом преломления N/N (N коэффициент преломления окружающей среды) лежащем в диапазоне от 1.2 до 1.9, K - целое число, К=1, 2, 3, а расстояние между соседними линзами составляет не менее длины фотонной струи, формируемой предыдущей линзой.
Наличие признаков, отличающих изобретение от прототипа, позволяет сделать вывод о соответствии его критерию «новизна».
Новые признаки: линзы выполнены в виде кластера самоподобных диэлектрических частиц, формирующих фотонные струи, с уменьшением масштаба каждой последующей частицы по направлению распространения излучения с соответствующими геометрическими размерами 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 устройства канализации и субволновой фокусировки электромагнитных волн на примере кластера линз - самоподобных кубоидов. На фиг. 2 - приведена фотография экспериментально изготовленного кластера линз - кубоидов на диапазон 35 ГГц. На фиг. 3 приведены результаты исследований формирования фотонных струй из самоподобных кубических частиц с масштабом соответственно К=1, 2, 3, 4, 6, 8. На фиг. 4 приведен пример работы устройства из кластера самоподобных линз с масштабом К=8 и К=1, формирующего фотонную струю с размером области фокусировки меньше классического дифракционного предела.
Устройство канализации и субволновой фокусировки электромагнитных волн содержит (см. фиг. 1) кластер самоподобных линз 1, в варианте выполнения линзы в виде диэлектрического кубоида с характерным размером грани L, промежуток между линзами S.
Для фокусировки излучения в субволновую область пространства с поперечным размером менее классического дифракционного предела могут быть использованы мезомасштабные (размер частицы порядка длины волны излучения) диэлектрические частицы различной формы: конической (аксикон), кубической, треугольной, сферической, цилиндрической и т.п. [Igor V. Minin, Oleg V. Minin, and Yuri E. Geints. Localized EM and photonic jets from non-spherical and non-symmetrical dielectric mesoscale objects: Brief review // Ann. Phys. (Berlin) 527, No. 7-8, 491-197 (2015) / DOI 10.1002/andp.201500132]. При соблюдении условия мезомасштабности и требуемого оптического контраста такие частицы формируют так называемую фотонную струю с размером области фокусировки менее трети длины волны излучения.
Работает устройство канализации и субволновой фокусировки электромагнитных волн следующим образом (на примере кубических частиц). При падении электромагнитной волны на диэлектрический кубоид 1, электромагнитная волна проникает внутрь диэлектрического материала. Поскольку излучение внутри кубоида 1 в окрестности его края распространяется с большей фазовой скоростью, чем излучение в центре кубоида, возникающий набег фазы между различными участками падающей волны приводит к деформациям волнового фронта излучения, который при определенных параметрах диэлектрического кубоида 1 приобретает положительную кривизну (излучение направляется внутрь кубоида от края к центру), что соответствует условию фокусировки излучения.
0
0
Экспериментально было установлено [V. Pacheco-Pena, М. Beruete, I.V. Minin, О.V. Minin. Terajets produced by 3D dielectric cuboids // Appl. Phys. Lett. 2014. V. 105. P. 084102.], что отдельные диэлектрические линзы - кубоиды 1 с величиной стенки L лежащей в диапазоне от 0.85λ до 1.3λ, где λ длина волны используемого терагерцового излучения в окружающем кубоид пространстве, выполненные из диэлектрика с относительным коэффициентом преломления N/N (N коэффициент преломления окружающей среды) лежащем в диапазоне от 1.2 до 1.9, формируют на выходе из кубоида фотонную струю. Фотонная струя представляет собой область с повышенной электромагнитной энергией с поперечным размером менее 0.45λ, и продольным размером порядка (2-3)λ.
Однако одиночная мезоразмерная линза, например, в виде кубической частицы, имеет размер грани порядка длины волны излучения и при достаточно широком облучающем пучке облучающая энергия используется не эффективно - значительная часть пучка просто не попадает на линзу размером в длину волны. Поэтому облучающий пучок с поперечным размером больше длины волны целесообразно канализировать с помощью линз с поперечным размером порядка ширины облучающего пучка, а на конечном этапе его сузить до величины порядка длины волны излучения и сфокусировать в область с поперечным размером менее дифракционного предела.
0
0
При величине стенки диэлектрической линзы - кубоида 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 1.9, тераструя на выходе кубоида не формируется и уменьшается эффективность канализации энергии. Располагая набор кубоидов пространственно разнесенных между собой на расстоянии S не менее длины фотонной струи (при оптимальном расстоянии 2 между кубоидами равном S=2.5L, тут L - размер грани наибольшего из двух соседних кубоидов) обеспечивается эффективная канализация электромагнитного излучения, при этом каждым последующим кубоидом формируется на выходе фотонная струя. При уменьшении или увеличения указанного диапазона расстояний 2 между набором диэлектрических кубоидов 1 происходит уменьшение протяженности струи, она начинает формироваться внутри кубоида 1, уменьшая эффективность канализации энергии. Представленные на Фиг. 2, 3, 4 результаты убедительно демонстрируют эффективность предложенного технического решения для канализации и транспортировки электромагнитной энергии.
0
0
Выполнение каждой линзы в виде, например, кубоида с величиной грани L лежащей в диапазоне (0.85λ…1.3λ)*K, где λ - длина волны излучения в свободном пространстве, а линзы выполнены из диэлектрика с относительным коэффициентом преломления N/N (N коэффициент преломления окружающей среды) лежащем в диапазоне от 1.2 до 1.9, K - целое число, К=1, 2, 3, а расстояние между соседними линзами составляет не менее длины фотонной струи, формируемой предыдущей линзой, позволяет обеспечить фокусировку излучения с произвольной шириной пучка, определяемым масштабным коэффициентом К. Фактически коэффициент самоподобия К есть целое число от отношения D/λ, где D - диаметр освещающего пучка, λ длина волны используемого излучения в окружающем пространстве.
Предлагаемое устройство канализации и субволновой фокусировки электромагнитных волн прошло экспериментальную проверку и доступно для методов вычислительного эксперимента.
Таким образом решается задача создания устройства канализации и субволновой (меньше классического дифракционного предела) фокусировки электромагнитных волн, отличающегося малыми размерами, минимальной суммарной толщиной диэлектрических линз, сравнимых с длиной волны излучения в свободном пространстве и простотой конструкции линз..