Сканатор «фотонной струи» в СВЧ и КВЧ диапазонах

Полезная модель относится к технике СВЧ и КВЧ, включая терагерцовый диапазон длин волн и может использоваться в различных системах ближнепольного видения, неразрушающего контроля с электронным сканированием областью фокусировки излучения и, в частности к устройствам, позволяющим отклонять фотонную струю, сформированную в СВЧ и КВЧ диапазонах длин волн.
Устройства сканирования электромагнитным излучением являются одним из основных элементов фотоники. Устройства сканирования электромагнитным излучением, включая излучения в террагерцовом и оптическом диапазонах длин волн, применяются в системах построения изображения объектов с субволновым разрешением, в том числе, в конфокальном микроскопе.
Известно устройство для формирования фотонной струи, обладающей свойствами сверхразрешения, состоящее из источника излучения и слабопоглощающей диэлектрической частицы с диаметром, сравнимым с длиной волны падающего излучения и расположенной вдоль направления распространения излучения [Гейнц Ю.Э., Земляное А.А., Панина Е.К. Сравнительный анализ пространственных форм фотонных струй от сферических диэлектрических микрочастиц // Оптика атмосферы и океана. 2012. Т. 25, №5. С. 417-424]. При этом диэлектрическая частица выполнена в виде сфероида.
Фотонная струя возникает непосредственно в области теневой поверхности диэлектрических микросферических частиц - т.е. в ближней зоне дифракции - и характеризуется сильной пространственной локализацией и высокой интенсивностью электромагнитного поля в области фокусировки. Протяженность фотонной струи – порядка нескольких длин волн используемого излучения, а поперечные размеры – менее половины длины волны излучения.
Позднее возможность получения фотонных наноструй была изучена для диэлектрических осесимметричных тел, например, эллиптических наночастиц [Минин И.В., Минин О.В. Квазиоптика: современные тенденции развития - Новосибирск: СГУГиТ, 2015. - 163 с.; T. Jalalia and D. Erni. Highly confined photonic nanojet from elliptical particles // Journal of Modern Optics, Vol. 61, No. 13, 1069-1076 (2014)], многослойных слоисто-неоднородных микросферических частиц с радиальным градиентом коэффициента преломления [Cesar Mendez Ruiz and Jamesina J. Simpson. Detection of embedded ultrasubwavelength-thin dielectric features using elongated photonic nanojets // 2 August 2010 / Vol. 18, No. 16 / OPTICS EXPRESS 16805], а также полусфер [Cheng-Yang Liu. Photonic nanojet shaping of dielectric non-spherical microparticles // Physica E 64 (2014), pp. 23-28.], дисков [B. Lukyanchuk, N.I. Zheludev, S.A. Maier, N.J. Halas, P. Nordlander, H. Giessenand T.C. Chong. The Fano resonance in plasmonic nanostructures and metamaterials. Nat. Mater.9, 707-715 (2010); C-Y. Liu and C-C. Li. Photonic nanojet induced modes generated by a chain of dielectric microdisks. Optik 127, 267-273 (2016).], цилиндра-сферы [Jinlong Zhu and Lynford L. Goddard. Spatial control of photonic nanojets // Optics Express, Vol. 24, No. 26, 2016, 30445].
Также было обнаружено, что фотонные струи могут быть сформированы несимметричными мезоразмерными диэлектрическими частицами, например, куб, усеченный шар, пирамида, усеченная пирамида, призма, объемный шестигранник 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; V. Pacheco-Pena, M. Beruete, I.V. Minin and O.V. Minin. Terajets produced by 3D dielectric cuboids. Appl. Phys. Lett. 105, 084102 (2014); I.V. Minin, O.V. Minin and Geintz Y.E. Localized EM and photonic jets from non-spherical and non-symmetrical dielectric mesoscale objects: brief review. Annalen der Physik (AdP), May 2015 DOI: 10.1002/andp.201500132; Yu. E. Geintz, A.A. Zemlyanov and E. K. Panina. Photonic Nanonanojets from Nonspherical Dielectric Microparticles. Russian Physics Journal 58, 904-910 (2015); Yu. E. Geints, A.A. Zemlyanov and E.K. Panina. Characteristics of photonic jets from microcones. Optics and Spectroscopy 119, 849-854 (2015); И.В. Минин, О.В. Минин. Фотоника изолированных диэлектрических частиц произвольной трехмерной формы - новое направление оптических информационных технологий // "Вестник НГУ. Серия: Информационные технологии". 2014, №4, С. 4-10]. Во всех известных случаях, фотонная струя формировалась вдоль оптической оси диэлектрической частицы.
Известны различные типы сканаторов (дефлекторов): оптико-механические, электронные, электрооптические, электрооптические и микроэлектромеханические системы (MEMS) [Выскуб В.Г. Возможности и ограничения составных сканаторов // Вопросы радиоэлектроники, 2018, № 5, с. 74-82; Измерительные сканирующие приборы / В.Г. Выскуб, В.А. Канцеров, И.М. Кольцов и др. под ред. Б.С. Розова. М.: Машиностроение, 1980, 198 с.]. Например, известны сканирующие устройства, в которых сканирующим элементом являются вращающиеся зеркальные ромбы или зеркальная пирамида с пространственным расположением оси вращения [Патент Великобритании N 1393535, кл. G 02 B 26/10, 1975; Авторское свидетельство СССР N 1628041, кл. G 02 B 26/10, 1991; Авторское свидетельство СССР N 1582170, кл. G 02 B 26/10, 1990].
Известен дефлектор на базе двух вращающихся с разной скоростью оптических клиньев, расположенных на одной оптической оси [Патент РФ 2650776, лидарный комплекс, опубликовано 17.04.2018, бюл. № 11].
Известен дефлектор микроволнового излучения [Патент РФ 1042113, дефлектор микроволнового излучения, опубл. 15.09.83, Бюл № 34], состоящий из ферритовой пластины, катушки намагничивания, ось которой совпадает с нормалью к плоскости  ферритовой пластины, на которой закреплен возбудитель звука.
Возбудитель звука (например, пьезопреобразователь) создает в ферритовой пластине звуковую волну, которая вызывает периодическое изменение показателя преломления, т.е. создает решетку показателя преломления. СВЧ или КВЧ излучение отклоняется от первоначального направления распространения излучения вследствие дифракции на решетке показателя преломления.
Все известные типы сканаторов имеют большие габариты и не предназначены для управления положением фотонной струи.
Известно  устройство акустооптического дефлектора на объемных акустических волнах для управления параметрами лазерного излучения [Патент РФ 2349945, Акустооптический дефлектор, Опубликовано: 20.03.2009, Бюл. № 8; Патент РФ 2355007, Способ двухкоординатного отклонения оптического излучения, опубликовано 10.05.2009, Бюл. № 13; Д. П. Волик, В. В. Роздобудько. Акустооптический СВЧ – дефлектор с поверхностным аподизированным пьезопреобразователем // Приборы и техника эксперимента. - 2009, № 1, с. 176-177] на основе пьезокристалла в виде параллелепипеда, в котором с помощью пьезоэлектрического преобразователя, расположенного на одной из боковых граней, генерируются акустические волны.
В основу принципа работы устройства положено известное свойство оптического излучения - дифрагировать на периодической структуре, возникающей вследствие упругооптического эффекта при распространении в твердом теле ультразвуковой волны.
Общим недостатком известных сканаторов являются большие габариты (больше длины волны излучения) и они не предназначены для работы в ближней зоне формирующего устройства.
Известно применение электрически управляемых линзовых антенн на основе сегнетоэлектрических материалов [Patent US 4588994, Continuous ferrite aperture for electronic scanning antennas; Patent US 4480254, Electronic beam steering methods and apparatus; Patent US 4576441, Variable fresnel lens device; Patent US 5729239, Voltage controlled ferroelectric lens phased array; Patent US 6195059, Scanning lens antenna; Patent US 9591793, Deflecting device for electromagnetic radiation; Patent US 9490547, Electrical steering lens antenna]. Электрическое управление диаграммой направленности сегнетоэлектрических квазиоптических антенных устройств миллиметрового диапазона длин волн осуществляется за счет изменения показателя преломления сегнетоэлектрика в электрическом поле.
В общем случае антенна оптического типа состоит из первичного источника излучения и квазиоптического устройства, преобразующего амплитудно-фазовое пространственное распределение волны первичного излучателя. В качестве первичного излучателя, как правило, используется слабонаправленная антенна (например, диполь, открытый конец волновода), осуществляющий широкоугольное облучение квазиоптического устройства (линзы, зонные фазовые пластинки и т.д.). Основным свойством сегнетоэлектрика является зависимость величины его диэлектрической проницаемости от напряженности приложенного электрического поля, что позволяет создавать конструкции сканирующих линзовых антенн.
Недостатком устройств являются большие габариты формирующего элемента, характерный размер апертуры линзы составляет десятки и сотни длин волн используемого излучения, электрически управляемые линзовые антенны на основе сегнетоэлектрических материалов предназначены для формирования диаграммы направленности и управления ее в пространстве в дальней зоне.
В качестве прототипа принято устройство для формирования фотонной струи, состоящее из источника излучения и диэлектрической частицы с характерным размером, сравнимым с длиной волны падающего излучения, при этом частица выполнена в виде частицы с плоской боковой поверхностью и равной толщины, а непосредственно на боковой поверхности частицы, перпендикулярно падающему излучению, установлен металлический экран на расстоянии от освещенного торца частицы, находящегося в диапазоне от 0 до L, где L - длина частицы вдоль направления падения на нее излучения. [Минин И.В., Минин О.В. Устройство для формирования фотонной струи // Патент РФ 191638, Опубликовано: 18.04.2019 Бюл № 23.]
Достоинство устройства выражается в возможности изменения пространственного положения формируемой фотонной струи (ее длины) без изменения относительного показателя преломления материала диэлектрической частицы.
Недостатком устройства является невозможность изменения поперечного относительно оптической оси положения фотонной струи.
Задачей настоящей полезной модели является устранение указанных недостатков, а именно получение возможности управлять поперечным положением в пространстве формируемой фотонной струи.
Указанная задача достигается тем, что сканатор «фотонной струи» в СВЧ и КВЧ диапазонах, состоит из источника излучения и диэлектрической частицы с характерным размером, сравнимым с длиной волны падающего излучения и выполненной в виде частицы с плоской боковой поверхностью и равной толщины, а непосредственно на боковой поверхности частицы, перпендикулярно падающему излучению, установлен металлический экран, на расстоянии от освещенного торца частицы, находящегося в диапазоне от 0 до L, где L - длина частицы вдоль направления падения на нее излучения, согласно полезной модели экран установлен несимметрично относительно оптической оси на одной из боковых сторон частицы. Кроме того, частица выполнена в форме куба. Кроме того, частица выполнена в форме цилиндра.
Заявляемое устройство для формирования фотонной струи обладает совокупностью существенных признаков, неизвестных из уровня техники для изделий подобного назначения и неизвестных из доступных источников научной, технической и патентной информации на дату подачи заявки на полезную модель.
Полезная модель поясняется чертежами.
На фиг. 1 показан сканатор «фотонной струи» в СВЧ и КВЧ диапазонах с частицей в форме куба.
На фиг. 2 показан сканатор «фотонной струи» в СВЧ и КВЧ диапазонах с частицей в форме цилиндра.
На фиг. 3 показаны результаты моделирования управления пространственным положением фотонной струи в зависимости от положения тонкого и широкого экранов на боковой поверхности диэлектрической частицы без изменения контраста показателя преломления.
Обозначения: 1 - падающее на частицу излучение от источника излучения, 2 - диэлектрическая слабопоглощающая частица в форме куба, 3 - металлический экран, 4 - фотонная струя, 5 - диэлектрическая слабопоглощающая частица в форме цилиндра.
В результате моделирования падения плоской волны на диэлектрический куб и цилиндр с установленным несимметрично относительно оптической оси на одной из боковых сторон частицы непрозрачным для освещающего излучения экраном показало, что положение экрана оказывает влияние на пространственное расположение фотонной струи, смещения фотонной струи от оптической оси устройства.
Экспериментальные исследования проводились в СВЧ диапазоне на частоте 20 ГГц.
Размеры диэлектрической частицы в форме куба равнялись длине волны излучения λ, коэффициент преломления материала частицы равен 1,45-1,46, толщина металлического экрана варьировалась от 0,1λ до 0,5λ.
В результате исследований было обнаружено, что наиболее сильное влияние экрана наблюдается в случаях, когда экран расположен около основания куба, ближнего к падающей волне. С продвижением экрана в сторону дальнего основания диэлектрического объекта, влияние экрана ослабевает и оно минимально, когда экран расположен в плоскости дальнего основания куба. Аналогичные зависимости оказались и для цилиндрической частицы. Формируемая фотонная струя отклоняется от оптической оси в сторону расположения экрана на боковой стороне диэлектрической частицы.
При расположении экрана непосредственно на боковой поверхности диэлектрической частицы несимметрично относительно оптической оси устройства, пространственное положение формируемой фотонной струи зависит от положения  экрана на его боковой поверхности. При расположении экрана на границе освещенного торца частицы (L=0), в зависимости от величины показателя материала частицы, фотонная струя поворачивается в сторону расположения экрана. При расположении экрана на расстоянии L параметры фотонной струи практически не меняются и она распространяется вдоль оптической оси.
Ширина металлического экрана выбирается не менее толщины скин-слоя в материале металлического экрана на частоте источника излучения. При меньшей толщине металлический экран становится прозрачным для падающего излучения и интерференция волн от дифракции излучения на металлическом экране и волн, распространяющихся через диэлектрическую частицу, становится недостаточной для изменения пространственного положения формируемой фотонной струи.
Экран может быть изготовлен из оптически управляемого материала, например, из полупроводника, например, кремния, германия. Известно, что при облучении оптическим излучением 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 управляемого экрана 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.
Работа устройства происходит следующим образом. Падающее на диэлектрическую слабо поглощающую частицу 2 или 5,  электромагнитное излучение 1 в результате интерференции волн на частице и экране 3, расположенном непосредственно на боковой поверхности диэлектрической частицы 2 или 5, формируют фотонную струю 4. При изменении положения экрана 3 вдоль боковой поверхности диэлектрической частицы 2 или 5 изменяются условия интерференции волн и пространственное положение фотонной струи 4 изменяется.
Достигаемый в такой конструкции сканатора «фотонной струи» в СВЧ и КВЧ диапазонах технический результат выражается в возможности изменения пространственного положения формируемой фотонной струи, смещения ее в поперечном направлении относительно оптической оси устройства, без изменения относительного показателя преломления материала диэлектрической частицы.