Устройство формирования пучка Эйри

Полезная модель относится к области преобразования волновых пучков и относится к устройствам формирования самоизгибающихся Эйри пучков в электромагнитном диапазоне длин волн и акустике.
Наиболее известным примером изогнутого светового 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.
Устройстваформирования 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.
В акустике для формирования Эйри пучка используется специально подобранная сложная акустическая фазовая маска с использованием специальной среды для обеспечения требуемого фазового профиля [H. Gao, Z. M. Gu, B. Liang, X. Y. Zou, J. Yang, J. Yang, and J. C. Cheng, Acoustic focusing by symmetrical self-bending beams with phase modulations. Appl. Phys. Lett. 108, 073501 (2016)].
Cущественно, 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.
Отметим, что масштабирование принципов генерации пучков типа Эйри, например, в терагерцовый диапазон из оптического, иногда 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 длин 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 и акустического излучения, кубическую фазовую маску, устройство преобразования Фурье (линзы).
Однако известное устройство достаточно сложно в применении и реализации.
Задачей настоящей полезной модели является устранение указанных недостатков, а именно упрощение устройства формирования пучка Эйри.
Указанная задача достигается тем, что в устройстве формирования пучка Эйри, содержащем источник электромагнитного и акустического излучения, фазовую маску, новым является то, что фазовая маска выполнена в виде цилиндрической линзы, внутри которой расположена кубическая частица с величиной диагонали грани приблизительно равной диаметру цилиндрической линзы, величиной ребра не менее длины волны используемого излучения в свободном пространстве и ориентированная к падающему излучению ее ребром, развернутым от оптической оси, при этом показатель преломления материала цилиндрической линзы меньше показателя преломления кубической частицы. Кроме того, кубическая частица выполнена из однородного материала. Кроме того, кубическая частица выполнена из композитного материала. Кроме того, кубическая частица выполнена из искусственного материала.
Заявителем не выявлены какие-либо технические решения, идентичные заявленному, что позволяет сделать вывод о соответствии настоящей полезной модели 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 цилиндрической линзы, диаметром 8 длин волн используемого излучения и с расположенной внутри ее кубической частицей, при падении излучения по нормали на грань куба и падении излучения на ребро куба, развернутое от оптической оси. Кубическая частица изготовлена из искусственого материала в акустике (I.A. Sukhoivanov, I.V. Guryev, Photonic Crystals: Physics and Practical Modeling, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2009. DOI 10.1007/978-3-642-02646-1; F. Cervera, J.V. Sanchez-Perez, R. Martinez-Sala, C. Rubio, F. Meseguer, C. Lopez, D. Caballero and J. Sanchez-Dehesa, Refractive acoustic device for airborne sound. Phys. Rev. Lett., 88, (2001), 023902; C.H. Kuo, Z. Ye, Sonic crystal lenses that obey the lensmaker’s formula, J. Phys. D: Appl. Phys., 37, (2004), 2155-21592; L. Feng, X.-P. Liu, M.-H. Lu, Y.-B. Chen, Y.-F. Chen, Y.-W. Mao, J. Zi, Y.-Y. Zhu, S.-N. Zhu, and N.-B. Ming, “Refraction control of acoustic waves in a square-rod-constructed tunable sonic crystal,” Phys. Rev. B 73, (2006), 193101; S. Alagoz, B.B. Alagoz, Frequency-controlled wave focusing by a sonic crystal lens, Applied Acoustics, 70, (2009), 1400-1405; Minin I.V. Minin O.V. Brief Review of Acoustical (Sonic) Artificial Lenses. Proc. of the 13th Int. Scientific-technical conf. On actual problems of electronic instrument Engineering (APEIE) -39281, Novosibirsk, Oct.3-6, 2016, v.1, 136-137 (2016)).
На Фиг. 2 приведена схема устройства.
Обозначения: 1 - источник электромагнитного и акустического излучений, 2 - широкий электромагнитный и акустический пучок, 3 - цилиндрическая линза, 4 - кубическая частица, 5 - пучок Эйри.
Устройство формирования пучка Эйри работает следующим образом.
Источник электромагнитного (лазер, диод Ганна, лампа обратной волны и т.д.) или акустического (пьезоэлектрические, магнитострикционные, электромеханические) излучений 1 формирует широкий электромагнитный или акустический пучок 2, который освещает цилиндрическую линзу 3, внутри которой размещена кубическая частица 4 с величиной диагонали грани, приблизительно равной диаметру цилиндрической линзы. В результате дифракции и интерференции волн на цилиндрической линзе 3 и кубической частице 4 при относительном показателе преломления материалов, лежащем в диапазоне от 1,2 до 2 на теневой границе цилиндрической линзы формируется фотонная струя или акустический аналог фотонной струи. В результате исследования было обнаружено, что при ориентировании к падающему излучению кубической частицы 4 ребром, развернутым от оптической оси, за счет дифракции и интерференции излучения на ее угле формируется изогнутый пучок Эйри 5. При величине ребра куба менее длины волны используемого излучения в свободном пространстве пучок Эйри не формируется. С увеличением длины ребра возрастает интенсивность поля в фокальной области.
За счет поворота цилиндрической линзы 3 и соответственно кубической частицы 4 становится возможным управление областью фокусировки излучения.
Кубическая частица может быть выполнена из однородного, композитного, искусственного материалов.
Техническим результатом полезной модели является упрощение устройства формирования пучков Эйри, в появлении возможности оперативного изменения пространственного положения формируемой области фокусировки и реализации его в оптическом, микроволновом, терагерцовом и акустическом диапазонах длин волн.