Устройство для структурирования электромагнитного излучения
Изобретение относится к области технической физики и может быть использовано для обеспечения воздействия структурированного электромагнитного излучения на различные физические, химические и биологические процессы. Устройство содержит подложку, на которой сформирована топология, в состав которой входит совокупность концентрических окружностей, радиус каждой из которых равен , где n - порядковый номер окружности. Топология выполнена в виде совокупности окружностей радиуса R, каждая из которых является геометрическим местом расположения равного количества центров соседних окружностей, причем каждый из центров, расположенных на одной окружности, равноудален от двух соседних, и каждый центр окружности радиуса R является центром одинакового количества концентрических окружностей, радиус каждой из которых равен . Благодаря тому что величина участка, на котором плотность линий, образующих топологию, будет равномерной, может быть как угодно велика, обеспечивается технический результат, заключающийся в увеличении равномерности структурирования электромагнитного излучения вдоль поверхности устройства. 5 з.п. ф-лы, 5 ил.
Предлагаемое изобретение относится к области технической физики и может быть использовано преимущественно в областях, в которых необходимо обеспечить воздействие структурированного электромагнитного поля на различные физические, химические и биологические процессы, например получение тонких наноразмерных пленок с фрактальной структурой, защита биологических объектов от вредного воздействия электромагнитного поля техногенного характера и т.д.
Известно структурирование электромагнитного поля с помощью различных дифракционных решеток. С физической точки зрения дифракционная решетка преобразует падающую на нее плоскую волну в совокупность плоских волн, распространяющихся от решетки под определенными углами, и бесконечную суперпозицию поверхностных волн, играющих существенную роль только вблизи решетки.
Известно устройство (.В.П.Шестопалов и др. «Дифракция волн на решетках», Харьков, Издательство харьковского университета, 1993, с.287), выполненное в виде периодической структуры, состоящей из бесконечно тонких и бесконечно длинных идеально проводящих лент определенной ширины и определенного периода, плоскость которых составляет угол с нормалью к плоскости решетки. В таких решетках возникает явление зеркального резонанса при условии совпадения направления распространения волны над решеткой с направлением зеркально отраженного луча. Также в щелях между лентами существует несколько незатухающих волноводных волн, интерференция между которыми приводит к резким всплескам на кривых зависимостей амплитудных коэффициентов расходящихся волн от частоты и параметров решетки. Интерференция волны ТЕМ и первой волноводной волны в щелях приводит к резонансному полному отражению энергии.
Недостатком известного устройства, с точки зрения практического применения, является узкий частотный диапазон преобразования электромагнитного поля.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому является устройство (Патент RU №2231137) для структурирования электромагнитного поля, содержащее подложку, на которой сформирована топология, в состав которой входит совокупность концентрических окружностей, радиус каждой из которых равен 
, где n - порядковый номер окружности от центра. Такие устройства называются фрактально-матричными структуризаторами (ФМС).
Особенностью получения известного устройства является то, что центром топологии является фрактальная структура первого уровня фрактализации, вокруг которой строится структура более высокого уровня фрактализации. Как правило, самый высокий уровень не превышает трех. Линии окружностей образуют многоэлементную дифракционную решетку.
Одним из важнейших свойств многоэлементных решеток является расширение области поляризационной восприимчивости. С ростом частоты длина волны становится соизмеримой с более мелкими деталями на периоде решетки, поэтому у многоэлементных решеток резонансная область оказывается более широкой, чем у одноэлементных. В основе действия известного устройства лежит его возможность преобразовывать электромагнитное поле в трехмерную пространственную систему интерференционных максимумов и минимумов, локализованных в пространстве над ФМС и имеющих упорядоченную структуру, скоррелированную со структурой фрактальной графики. Наглядно это проявляется, например, при выращивании наноразмерных пленок в присутствии в объеме напыления, но вне зоны транспортировки напыляемого материала, одного или нескольких известных устройств (Патент RU №2212375). На подложке растут структуры, стремящиеся повторить топологию известного устройства.
Недостатком известного устройства является неравномерность структурирования электромагнитного поля вдоль всей поверхности устройства. Это объясняется тем, что плотность заполнения линиями, образующих топологию, сформированную на подложке, убывает от ее центра к периферии. Это явление предопределено закономерностью получения фрактально-матричной структуры. Для получения топологии с более равномерной плотностью заполнения линиями из каждой матрицы вырезается квадрат, содержащий ее центральную часть, и топологию формируют в виде «ковра», набранного из этих квадратов. Но следует отметить, что и в небольшом квадрате плотность заполнения линиями уменьшается в направлении от центра к периферии, но самым большим недостатком является то, что в местах стыковок квадратов друг с другом появляется неуправляемая нерегулярность линий, которая нарушает регулярность структурируемого поля.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является разработка устройства для структурирования электромагнитного поля, в котором присутствует участок с равномерной плотностью заполнения линиями, образующими топологию.
Технический результат, который при этом достигается - увеличение равномерности структурирования электромагнитного поля вдоль поверхности устройства.
Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемое устройство для структурирования электромагнитного поля, так же как и известное, содержит подложку, на которой сформирована топология, в состав которой входит совокупность концентрических окружностей, радиус каждой из которых равен , где n - порядковый номер окружности. Но, в отличие от известного, в предлагаемом устройстве средняя часть топологии выполнена в виде совокупности окружностей радиуса R, каждая из которых является геометрически местом расположения равного количества центров соседних окружностей, причем каждый из центров, расположенных на одной окружности, равноудален от двух соседних, и каждый центр окружности радиуса R является центром одинакового количества концентрических окружностей, радиус каждой из которых равен .
Рассматриваемая конструкция предусматривает наличие на подложке участка, на котором плотность линий, образующих топологию, будет равномерной (участок, заполненный окружностями радиусом R). Величина его может быть как угодно велика и определяется исходя из необходимости решения конкретной задачи. При этом желательно, чтобы размер подложки предусматривал размещение на ней окружностей с максимальным диаметром, концентрических по отношению к крайним окружностям радиуса R. Несоблюдение этого условия приведет к появлению искажающих картину явлений, вызванных воздействием на электромагнитное поле разрывов линий окружностей.
Подложка со сформированной на ней топологией, описанной выше, представляет собой дифракционную решетку сложной конструкции, собранную из криволинейных замкнутых элементов. Минимальный размер дифрагирующего элемента, а соответственно длина волны дифрагирующего излучения, будет определяться минимальным размером острия угла, образующегося при пересечении дуг окружностей. С учетом того что взаимное касание дуг происходит под разными углами в самом широком диапазоне углов, величина которых определяется геометрическими параметрами линий, их взаимной конфигурацией и расположением, будет иметь место непрерывный набор дифрагирующих элементов, характеризуемых различными геометрическими особенностями, начиная от субмикронного диапазона (минимально возможные значения длин волн дифракционного спектра лежат в области оптического диапазона и ультрафиолета). С учетом того что рассматриваемую топологию можно рассматривать как непрерывный набор дифрагирующих элементов разных размеров вплоть до самого большого, определяемого границами топологии и лежащего уже в области миллиметрового диапазона длин волн, предложенное устройство является широкополосным преобразователем и структуризатором электромагнитного поля в этом диапазоне. Следует учитывать, что даже топология с не очень плотной графикой, с размером линий в несколько единиц микрон, будет содержать порядка 400000 упорядоченно расположенных дифрагирующих элементов, которые будут давать разнообразную, упорядоченную дифракционную картину. Упорядоченность будет определяться тем, что все окружности построены по одному закону. Часть подложки с равномерным распределением плотности линий, т.е. заполненная окружностями радиуса R, будет структурировать поле равномерно вдоль всего участка равномерной плотности линий. Т.о., часть подложки равномерно заполнена линиями разных радиусов при отсутствии «швов», с помощью которых формировалась квазиравномерная плотность линий в известном устройстве, и которые формировали неравномерность структурирования электромагнитного поля.
Совокупность признаков, сформулированных в пункте 2 формулы изобретения, характеризует устройство для структурирования электромагнитного поля, в котором подложка выполнена из кремния, а топология сформирована из металла.
Совокупность признаков, сформулированных в пункте 3 формулы изобретения, характеризует устройство для структурирования электромагнитного поля, в котором подложка выполнена из алюминия, а топология сформирована из графита.
Выбор материалов подложки и фрактальной топологии имеет важное значение. Из общих соображений ясно, что эффективность дифракционной структуры будет тем больше, чем больше разница в их плотностях. Значительная разница в коэффициентах преломления в каждой паре материалов, указанные в пунктах 2 и 3 формулы, обеспечивает в обоих случаях ярко выраженную дифракционную картину.
Совокупность признаков, сформулированных в пункте 4 формулы изобретения, характеризует устройство для структурирования электромагнитного поля, в котором фрактальная топология сформирована щелями, ширина и глубина которых не менее 0,1 мкм.
Щели в дифракционной решетке выполняют роль волноводов, по которым распространяются электромагнитные волны. В щелях возникает интерференция нескольких незатухающих электромагнитных волн. Возникающие резонансные явления приводят к полному отражению энергии. Резонансные явления влияют на интерференционную картину в дальней зоне и в ближней. Это явление можно трактовать как расширение ближней зоны в дальнюю.
Минимальная ширина щели, равная 0,1 мкм, связана с полосой охватываемого спектра электромагнитного излучения (0,1 мкм - длина волны ультрафиолетового диапазона). Но, как показывает эксперимент, даже при ширине щелей, равной 7 мкм, структурируется весь спектр оптического диапазона. Это можно объяснить тем, что минимально охватываемая длина волны будет определяться не только параметрами щели, но и размерами самого острого угла в реализуемой фрактальной графике.
Минимальная глубина щели, равная 0,1 мкм, выбрана эмпирическим путем из общефизических соображений - высота ступеньки, как дифрагирующего элемента, не может быть меньше длины волны электромагнитного излучения. При такой глубине структурированная область достигает нескольких сантиметров.
С точки зрения получения ярко выраженной дифракционной картины формирование топологии щелями наиболее эффективно.
Совокупность признаков, сформулированных в пункте 5 формулы изобретения, характеризует устройство для структурирования электромагнитного поля, в котором топология сформирована щелями, а материалом подложки является поливинил.
Такие гибкие конструкции могут выполнять функции защитных экранов, например, для устройств с электронно-лучевыми трубками.
Совокупность признаков, изложенная в пункте 6 формулы изобретения, характеризует устройство, в котором топология выполнена щелями, а подложка выполнена в виде слоистой структуры, причем верхний слой выполнен в виде полупрозрачного зеркального покрытия, обеспечивающего отражение от нижележащего слоя.
Полупрозрачное зеркальное покрытие вносит дополнительный элемент структурирования. Каждый луч (фиг.3), попавший на покрытие, отразится дважды: первый раз от наружной поверхности, второй раз, войдя в покрытие с преломлением, от границы раздела «покрытие - последующий слой». Таким образом, от каждого элемента структуры будут отражаться разные диапазоны длин волн. Отраженные пучки волн разных длин от большого числа элементов будут интерферировать.
Изобретение поясняется чертежами, где:
фиг.1 - устройство для структурирования электромагнитного поля;
фиг.2 - пример получения топологии;
фиг.3 - схема хода лучей при выполнении устройства в виде слоистой структуры;
фиг.4 и 5 - фотографии структурированного электромагнитного поля.
На фиг.1 показан вид топологии, сформированной концентрическими окружностями, радиус каждой из которых определяется по формуле , где n - порядковый номер окружности. В данном случае последней окружностью является седьмая. Топология выполнена на подложке. На фиг.2 показана начальная стадия построения топологии. Средняя часть подложки заполнена девятью окружностями с минимальным радиусом равным R, центр каждой из которых расположен на соседней окружности. Центр каждой из них является центром семи концентрических окружностей. Материал подложки и линий должны отличаться друг от друга по коэффициенту преломления. Чем больше они отличаются друг от друга, тем больше эффект структурирования электромагнитного поля. Рассмотрим пример выполнения устройства, топология которого сформирована щелями. Щели формируются следующим образом: на подложку наносят, например, позитивный резист. В слое формируют требуемое изображение графики, например, методом контактной печати. Затем наносят металлическую пленку. Ее толщина меньше толщины резистного слоя. Затем резист подвергают «взрывной литографии», при которой резист удаляется вместе с пленкой металла на ее поверхности, а на подложке остается пленка металла со сформированной фрактальной топологией, со вскрытыми участками подложки под операцию травления. Следующий этап - сухое травление. Соотношение глубины щелей к ширине можно получить до величины, равной 6-10. Изготавливалось устройство, подложка которого выполнена из стекла, ширина щелей равна 3 мкм, а глубина 2 мкм. Равномерное структурированное поле распространяется от подложки на 3 см (фиг.4). Также изготавливалось устройство, такое же, как и в предыдущем случае, но дополнительно на стекло напылена пленка никеля толщиной, равной 0,1 мкм. Структурированное поле распространяется от подложки на 4 см (фиг.5). В том случае, когда в качестве подложки использовался кремний, а линии, образующие матрицу, изготавливались из алюминия, структурированное электромагнитное поле распространялось от подложки на 1 см. Эксперименты, подтверждающие структурирование электромагнитного поля, проводились с использованием немонохроматического источника света.
Эксперименты показывают, что предлагаемое устройство обеспечивает равномерное распределение электромагнитного поля вдоль поверхности того участка подложки, на котором сформирована топология с равномерной плотностью линий, а этот эффект обеспечивается равномерной структурой матрицы.
1. Устройство для структурирования электромагнитного излучения в диапазонах длин волн от субмикронного до миллиметрового, содержащее подложку, на которой сформирована топология, в состав которой входит совокупность концентрических окружностей, радиус каждой из которых равен 
, где n - порядковый номер окружности от центра, отличающееся тем, что топология выполнена в виде совокупности окружностей радиуса R, каждая из которых является геометрическим местом расположения равного количества центров соседних окружностей, причем каждый из центров, расположенных на одной окружности, равноудален от двух соседних, и каждый центр окружности радиуса R является центром одинакового количества концентрических окружностей, радиус каждой из которых равен , где nmax=7.
2. Устройство для структурирования электромагнитного излучения по п.1, отличающееся тем, что подложка выполнена из кремния, а топология сформирована из металла.
3. Устройство для структурирования электромагнитного излучения по п.1, отличающееся тем, что подложка выполнена из алюминия, а топология сформирована из графита.
4. Устройство для структурирования электромагнитного излучения по п.1, отличающееся тем, что топология сформирована щелями, ширина и глубина которых не менее 1 мкм.
5. Устройство для структурирования электромагнитного излучения по п.4, отличающееся тем, что подложка выполнена из поливинила.
6. Устройство для структурирования электромагнитного излучения по п.4, отличающееся тем, что подложка выполнена из слоистой структуры, причем верхний слой выполнен в виде полупрозрачного зеркального покрытия, обеспечивающего отражение от нижележащего слоя.
