Способ определения оптического метаматериала и устройство для его реализации

Изобретение относится к получению и исследованию метаматериалов, в частности к оптической диагностике материалов с отрицательным показателем преломления. В способе определения оптического метаматериала, включающем падение коллимированного светового пучка под углом на пластинку исследуемого материала, на обе ее поверхности наносят диэлектрические и непрозрачные для светового пучка покрытия, при этом световой пучок проходит внутрь пластинки через входное окно, соизмеримое с толщиной пластинки и выполненное по центру в одном из покрытий. По положению выходного светового пучка относительно нормали к границе раздела сред в точке падения определяют принадлежность пластинки к метаматериалу. Способ прост в экспериментальной реализации, технологичен и надежно идентифицирует метаматериал с отрицательным показателем преломления. 3 н.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к новому научному направлению - получению и исследованию метаматериалов, в частности к оптической диагностике материалов с отрицательным показателем преломления.

Метаматериал - искусственно созданная среда, состоящая из периодических микроструктур (металлических резонаторов), размеры которых намного меньше длины волны используемого электромагнитного излучения. Взаимодействие излучения с таким материалом носит резонансный характер, т.е. свойства метаматериала проявляются, как правило, в узкой полосе длин волн. С точки зрения геометрической оптики, для данного материала выполняется известный закон преломления, но падающий и преломленный лучи при этом лежат по одну сторону от нормали к границе раздела сред.

Толчком к экспоненциальному росту научных публикаций по метаматериалам стала работа Дж. Пендри [1], опубликованная в 2000 г. В ней было показано, что линза, предложенная Веселаго в 1966 году, наряду с ранее описанными особенностями фокусировки, обладает способностью переносить изображение предмета с точностью, не ограниченной так называемым волновым пределом (суперлинза).

В последние годы уже достигнуты определенные успехи в создании метаматериалов в ближней ИК-области и активизировалась разработка материалов для видимого диапазона длин волн. В ходе решения этой проблемы всегда возникает вопрос - является ли созданный материал метаматериалом. В оптическом и ближнем ИК-диапазоне искусственно созданная среда, претендующая на роль метаматериала, представляет собой плоскопараллельную пластинку толщиной от сотни нанометров до нескольких сот микрометров. Метаматериал воспринимается электромагнитной волной как сплошная среда с определенными величинами эффективной диэлектрической ε и магнитной µ проницаемостями, причем один из этих параметров или оба могут быть отрицательными. При одновременно отрицательном значении ε и µ, показатель преломления среды n также отрицательный, т.е. n<0. Заявляемый способ как раз и позволяет определять такой материал.

Известен метод исследования и идентификации метаматериалов, основанный на законах геометрической оптики, так называемый метод ножа [2]. Суть метода заключалась в том, что на пути коллимированного пучка ИК-излучения вблизи пластинки метаматериала устанавливалось лезвие (непрозрачный экран) и проводились измерения интенсивности прошедшего излучения вблизи края лезвия. Прошедший пластинку пучок, испытав некоторое смещение, распространялся по направлению падающего пучка. Направление этого смещения и определяло, является данная пластинка метаматериалом или нет. К основному недостатку данного метода следует отнести сложность его экспериментальной реализации. Из-за малой толщины пластинки смещение пучка очень мало, и его фиксация относится к разряду сложных экспериментальных задач. На точность и достоверность определения смещения светового пучка влияет и неплоскопараллельность пластинки, и степень коллимации пучка. Требуются также и определенные навыки работы с субмикронными пучками.

Предлагаемое изобретение направлено на решение задачи по определению, является ли данный материал оптическим метаматериалом. Упрощается и решение этой сложной задачи.

В способе определения оптического метаматериала, заключающемся в том, что из исследуемого материала изготавливают плоскопараллельную пластинку, на обе поверхности пластины наносят диэлектрическое и непрозрачное для светового пучка покрытие, в одном из покрытий по центру выполняют входное окно, размер которого соизмерим с толщиной пластинки, через входное окно под углом направляют коллимированный световой пучок, который после многократного отражения выходит из пластины, и при наличии отрицательного показателя преломления по положению выходного светового пучка относительно нормали к границе раздела пластинка-воздух в точке падения материал относят к метаматериалу.

В заявляемом способе покрытия являются диэлектрическими и полностью непрозрачными.

Устройство для определения оптического метаматериала может быть реализовано в двух вариантах.

Первый вариант устройства предназначен для определения метаматериала на конкретной длине волны. Устройство для определения оптического метаматериала содержит пластинку из исследуемого материала с нанесенным по обе стороны ее поверхности покрытием из диэлектрического материала, непрозрачным для заданной длины волны излучения, для ввода светового пучка внутрь пластинки в одном из покрытий по центру выполнено входное окно, размер которого соизмерим с толщиной пластинки, при этом площадь поверхности покрытия меньше площади поверхности пластинки.

Второй вариант устройства предназначен для определения длины волны, на которой данный материал является метаматериалом. Устройство для определения оптического метаматериала содержит пластинку из исследуемого материала, с нанесенным по обе стороны ее поверхности двухслойным покрытием, внутренний слой выполнен диэлектрическим и тонким по сравнению с толщиной самой пластинки, наружный слой - металлическим, непрозрачным в широком диапазоне длин волн, для ввода светового пучка внутрь пластинки в одном из покрытий по центру выполнено входное окно, размер которого соизмерим с толщиной пластинки, при этом площадь поверхности покрытия меньше площади поверхности пластинки.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где:

на фиг.1 показано устройство предлагаемого изобретения и ход лучей в нем для исследования материала на конкретной длине волны, когда материал обычный;

на фиг.2 показано устройство предлагаемого изобретения и ход лучей в нем для исследования материала на конкретной длине волны, когда материал является метаматериалом;

на фиг.3 показано устройство предлагаемого изобретения и ход лучей в нем для определения длины волны, на которой данный материал является метаматериалом.

В заявляемом способе определения метаматериала предложен подход, увеличивающий смещение светового пучка при прохождении через исследуемую плоскопараллельную пластинку за счет многократного прохождения его в «волноводной структуре», созданной исследуемым материалом и нанесенным на его поверхность покрытием.

Известно, что при прохождении световым пучком плоскопараллельной пластинки, пучок не изменяет своего направления распространения. Он лишь испытывает смещение относительно своего первоначального направления, величина которого определяется соотношением Δ x = d ( 1 cos α n 2 sin 2 α ) sin α , где d - толщина исследуемой пластинки, n - показатель преломления, α - угол падения пучка. Видно, что смещение пучка всегда меньше толщины пластинки и при нормальном падении отсутствует. Так как толщина метаматериалов для оптического диапазона составляет от сотен нанометров до нескольких сотен микрометров, то измерять такие смещения световых пучков достаточно сложно. Нанесенные на поверхность исследуемого материала непрозрачные для используемого излучения покрытия позволяют за счет многократного отражения падающего под углом α коллимированного светового пучка развести преломленный пучок для обычного материала и преломленный пучок для метаматериала по разные стороны относительно нормали к границе раздела сред в точке падения.

Устройство для определения оптического метаматериала (фиг.1 и фиг.2) включает в себя пластинку исследуемого материала 1 с нанесенными на ее поверхности покрытиями 2 и 3, которые выполнены диэлектрическими и непрозрачными для заданной длины волны. Для ввода светового пучка внутрь пластинки одно из покрытий имеет по центру соизмеримое с толщиной пластинки входное окно 4, для вывода пучка площадь поверхности покрытия меньше площади поверхности пластинки.

В случае облучения пластинки излучением широкого диапазона (фиг.3), покрытия изготовляют сложными. Это обусловлено тем, что диэлектрическое покрытие, полностью отражающее широкий спектр излучения, является многослойным и добиться условия, когда толщина отражающего покрытия намного меньше толщины самой пластинки, сложно. Во 2-м варианте покрытия изготавливают двухслойными. Внутренний слой 5 является диэлектрическим и тонким по сравнению с толщиной самой пластинки. Он предотвращает закорачивание микрорезонаторов метаматериала. Наружный слой 6 выполнен из металла и обеспечивает полное отражение излучения в широком спектральном диапазоне.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Коллимированное излучение 7 падает под углом α на плоскопараллельную пластинку исследуемого материала 1, на поверхность которой нанесены покрытия 2 и 3. Через входное окно 4 одного из покрытий световой пучок попадает внутрь пластинки и, испытав многократное отражение, выходит наружу. Если на пластинку падает монохроматическое излучение 7 (фиг.1-2), то в соответствии с законами геометрической оптики, преломленный пучок 8 будет находиться по одну сторону от нормали вместе с падающим пучком для метаматериала и по разные стороны (пучок 9) для обычного материала. Если же на пластинку падает излучение 7 широкого спектрального диапазона (фиг.3), то будут присутствовать оба преломленных пучка 8 и 9. Пластинка исследуемого материала 1 селективно реагирует на падающий световой пучок 7 и из всего спектра выделяет лишь ту длину волны 8, на которой исследуемый материал является метаматериалом.

Заявляемый способ точно и надежно позволяет определить оптический метаматериал с отрицательным показателем преломления. Способ прост в экспериментальной реализации и технологичен. Напыление (нанесение) покрытий может быть совмещено с процессом изготовления самого метаматериала. При этом дополнительные покрытия метаматериала выполняют защитную функцию, увеличивая его механическую прочность и защищая от воздействия окружающей среды. Для повышения эффективности взаимодействия излучения с метаматериалом, в конкретном устройстве может быть применен принцип многократного прохождения излучения в веществе, и, следовательно, покрытия будут «полезны» не только на стадии исследования материала, но и для функционирования самого устройства.

Источники информации

1. J.В. Pendry. Negative refraction makes a perfect lens // Physical review letters. - 2000. - Oct. - V.85. - P.3966-3969S.

2. A.J. Hoffman, L. Alekseyev, S.S. Howard, K.J. Franz, D. Wasserman, V.A. Podolskiy, E.E. Narimanov, D.L. Sivco, C. Gmachl. Negative refraction in semiconductor metamaterials // Nature Materials. - 2007. - Decem. - V.6, - P.946-950.

1. Способ определения оптического метаматериала, заключающийся в том, что из исследуемого материала изготавливают плоскопараллельную пластинку, на обе поверхности пластины наносят диэлектрическое и непрозрачное для светового пучка покрытие, в одном из покрытий по центру выполняют входное окно, размер которого соизмерим с толщиной пластинки, через входное окно под углом направляют коллимированный световой пучок, который после многократного отражения выходит из пластинки, и при наличии отрицательного показателя преломления по положению выходного светового пучка относительно нормали к границе раздела пластинка-воздух в точке падения материал относят к метаматериалу.

2. Устройство для определения оптического метаматериала содержит пластинку из исследуемого материала с нанесенным по обе стороны ее поверхности покрытием из диэлектрического материала, непрозрачным для заданной длины волны излучения, для ввода светового пучка внутрь пластинки в одном из покрытий по центру выполнено входное окно, размер которого соизмерим с толщиной пластинки, при этом площадь поверхности покрытия меньше площади поверхности пластинки.

3. Устройство для определения оптического метаматериала содержит пластинку из исследуемого материала с нанесенным по обе стороны ее поверхности двухслойным покрытием, внутренний слой выполнен диэлектрическим и тонким по сравнению с толщиной самой пластинки, наружный слой - металлическим, непрозрачным в широком диапазоне длин волн, для ввода светового пучка внутрь пластинки в одном из покрытий по центру выполнено входное окно, размер которого соизмерим с толщиной пластинки, при этом площадь поверхности покрытия меньше площади поверхности пластинки.



 

Похожие патенты:

Изобретение может быть использовано для определения показателя преломления вещества частиц, образующих упорядоченные многослойные дисперсные структуры, такие как фотонные кристаллы и коллоидные кристаллы.

Изобретение относится к области исследования или анализа веществ и материалов путем определения их химических или физических свойств, в частности к рефрактометрическим датчикам оценки качества топлива.

Изобретение относится к оптико-электронному приборостроению, а именно к рефрактометрическим средствам измерения показателя преломления жидких и пастообразных веществ, порошков и т.п.

Изобретение относится к носителю (11) и устройству (100) для оптического детектирования в образце (1) в камере (2) для образца. Носитель (11) содержит оптическую структуру (50) для преломления входного светового пучка (L1) в прилегающую камеру (2) для образца, а также для сбора выходного светового пучка (L2) из светового излучения, порожденного в камере (2) для образца входным световым пучком.

Предлагаемое изобретение относится к оптическим измерениям. Способ измерения показателя преломления газовых сред основан на измерении частоты одночастотного перестраиваемого лазера, настроенного на максимум выбранной моды высокостабильного интерферометра Фабри-Перо, когда межзеркальное пространство заполнено газовой средой и когда оно вакуумировано.

Изобретение относится к оптике и может быть использовано для измерения показателя преломления твердых веществ. .

Изобретение относится к физике атмосферы и может быть использовано при определении структурной характеристики показателя преломления, параметра Штреля и радиуса Фрида.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для бесконтактного определения времени жизни неравновесных носителей заряда в тонких полупроводниковых пластинках.

Изобретение относится к оптике конденсированных сред и может быть использовано для определения оптических постоянных твердых тел с отрицательной действительной частью диэлектрической проницаемости.

Последовательный датчик волнового фронта большого диоптрийного диапазона для коррекции зрения или выполнения оценочных процедур включает в себя устройство для сдвига волнового фронта и выборки волнового фронта. Устройство выборки включает в себя систему передачи, которая представляет собой 4-F систему передачи. Особенность устройства заключается в расположении сдвигающего элемента - зеркала перед апертурой в пространстве изображения волнового фронта. Технический результат заключается в обеспечении возможности расположения устройства сдвига пучка волнового фронта так, чтобы оно осуществляло полный захват и сдвиг всего пучка для поперечного сдвига передаваемого волнового фронта. 8 н. и 44 з.п. ф-лы, 19 ил.

Изобретение используется для контроля качества многослойных сверхпроводников в процессе изготовления. Сущность изобретения заключается в том, что в процессе изготовления ленточного сверхпроводника исследуемые поверхности облучают световым потоком и регистрируют параметры отраженного светового потока, по которым определяют показатели преломления слоев. Показатели преломления слоев определяют с помощью предварительно полученных тарировочных зависимостей остроты кристаллографической текстуры слоев сверхпроводника от значения показателя преломления. Полученные значения показателей преломления сравнивают с диапазонами значений показателей преломления, обеспечивающими плотность критического тока сверхпроводника не менее 1·106 А/см2. Технический результат: обеспечение возможности мобильным образом с высокой скоростью контролировать качество слоев ленточного сверхпроводника. 1 табл., 5 ил.

Изобретение относится к рефрактометрам. Оптическое устройство для измерения показателя преломления прозрачных твердых веществ образцов с толщиной 0,2-1 мм. и размером 5-12 мм, содержит: блок со сменными лазерными диодами, излучающими в диапазоне длин волн 400-1100 нм, устройство для формирования узкого пучка лучей шириной от 60-120 мкм, образец в виде плоскопараллельной пластины, дополнительный прозрачный оптический элемент, установленный с исследуемым образцом под одним и тем же углом падения, систему регистрации величины смещения светового луча, представляющую собой ПЗС-матрицу с разрешением 2592х1944 пикселей и больше. Технический результат заключается в сокращении времени и увеличении точности измерений показателя преломления света. 3 ил.

Изобретение относится к области для измерения физических свойств контактных линз. В заявленном устройстве для измерения волнового фронта офтальмологического устройства и способе, реализующем заявленное устройство, производят выравнивание системы волнового фронта офтальмологической линзы, содержащей устройство для измерения физической характеристики офтальмологического устройства, выполняют оптическое измерение оптической оправки и хранение этого измерения интенсивности оптической оправки в качестве справочного файла интенсивности. Далее выполняют оптическое измерение оптической оправки с линзой, которая сформирована на ней, и сохранение файла этой интенсивности, используя программное обеспечение в процессоре, способном вычитать один файл интенсивности из, по меньшей мере, одного другого файла интенсивности для получения значения оптического волнового фронта линзы в режиме реального времени. Технический результат – повышение скорости получения точных измерений сухих контактных линз разовыми оптическими измерениями в режиме реального времени. 2 н. и 21 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам оптико-физических измерений, основанных на эллипсометрии, и предназначено для определения показателя преломления оптически прозрачных материалов. Предлагается способ определения показателя преломления оптически прозрачного материала путем измерения эллипсометрических параметров Δ и ψ с последующим их расчетом. При этом предварительно спрессованный нано- или ультрадисперсный порошок помещают в воздушную среду и определяют эллипсометрические параметры Δ и ψ на воздухе, а затем рассчитывают показатель преломления исследуемого спрессованного материала на воздухе (n1), после чего помещают исследуемый спрессованный материал в оптически прозрачную иммерсионную жидкость, обеспечивающую отсутствие химического взаимодействия и хорошую смачиваемость исследуемого материала, и определяют эллипсометрические параметры Δ и ψ в иммерсионной жидкости, а затем рассчитывают показатель преломления исследуемого спрессованного материала в иммерсионной жидкости (n2), после чего рассчитывают показатель преломления исходного нано- или ультрадисперсного порошка. Данное изобретение позволяет обеспечить возможность определения показателя преломления веществ, изначально находящихся в высокодисперсном порошковом состоянии. 1 ил.

Изобретение относится к области оптических измерений и касается способа определения показателя преломления монохроматической поверхностной электромагнитной волны инфракрасного диапазона. Способ включает в себя генерацию волны на плоской поверхности образца, размещение на пути волны плоского зеркала, отражающая грань которого наклонена относительно нормали к поверхности образца в сторону направления распространения волны, регистрацию отраженного зеркалом излучения и расчет показателя по результатам измерений. Регистрацию излучения осуществляют на поверхности образца. Зеркало размещают в плоскости, не содержащей нормаль к плоскости падения излучения. При проведении измерений плавно увеличивают от нуля угол α между нормалью к плоскости образца и зеркалом, фиксируют такое его значение α*, при котором интенсивность регистрируемого излучения обнуляется. Величину показателя рассчитывают по формуле: Технический результат заключается в уменьшении продолжительности и трудоемкости измерений. 3 ил.

Изобретение относится к области оптических измерений и касается способа определения диэлектрической проницаемости металла в терагерцовом диапазоне спектра. Способ включает в себя возбуждение зондирующим пучком поверхностной электромагнитной волны (ПЭВ) на плоской поверхности металлического образца, измерение длины распространения ПЭВ и определение ее фазовой скорости, расчет комплексного показателя преломления ПЭВ по означенным ее характеристикам и определение диэлектрической проницаемости металла путем решения дисперсионного уравнения ПЭВ для волноведущей структуры, содержащей поверхность образца. При проведении измерений на поверхность предварительно наносят однородный слой диэлектрика с известными оптическими постоянными толщиной от сотой до десятой доли длины волны излучения источника. Технический результат заключается в повышении точности измерений.

Группа изобретений относится к медицине, а именно к лабораторной диагностике, и может быть использована для определения характеристики изотипического состава иммунных комплексов в образце биологической жидкости, полученном от субъекта. Для этого проводят: (а) Обеспечение исходного образца биологической жидкости от субъекта; (б) Получение для указанного образца спектра динамического светорассеяния (ДСР), который содержит пики, соответствующие частицам разного размера, которые присутствуют в указанном образце; (в) Приведение указанного образца в контакт с по меньшей мере одним веществом, которое специфически связывается с иммуноглобулинами одного или нескольких изотипов, содержащихся в образце; (г) Удаление из указанного образца комплексов, содержащих указанное вещество с получением обработанного образца; (д) Получение спектра ДСР обработанного образца, полученного на стадии (г), который содержит пики, соответствующие частицам разного размера, которые присутствуют в указанном обработанном образце; (е) Сопоставление спектра ДСР, полученного на стадии (б), со спектром, полученным на стадии (д), на основании отличий спектра указанного обработанного образца и спектра, полученного для исходного образца, определяют характеристику изотипического состава иммунных комплексов, присутствующих в указанном образце биологической жидкости. Также предложена диагностика заболевания или состояния у субъекта на основании определения характеристики изотипического состава иммунных комплексов в образце биологической жидкости, полученном от субъекта, и набор для данной диагностики. Группа изобретений обеспечивает повышение диагностической и прогностической информативности выявления значимых для медицинских целей антигенов в биологических жидкостях. 3 н. и 32 з.п. ф-лы, 5 ил., 5 табл., 6 пр.

Изобретение относится к оптико-электронному приборостроению и описывает способ контроля качества продуктов путем сравнения оптических характеристик исследуемого продукта с соответствующими оптическими характеристиками эталонных продуктов и устройство, реализующее предлагаемый способ. В качестве оптических характеристик продукта используют показатели преломления в нескольких спектральных диапазонах и координаты цветности. Заявленное изобретение предназначено для контроля качества продуктов путем сравнения оптических характеристик исследуемого продукта с соответствующими оптическими характеристиками эталонных продуктов, либо занесенными в предварительно сформированную базу данных, либо полученными для эталонного образца непосредственно перед измерениями исследуемого образца. Одновременно с измерением показателя преломления измеряют координаты цветности исследуемого продукта и найденные значения сравнивают с показателями преломления и координатами цветности эталонов, причем показатели преломления продукта и координаты цветности определяют по одним и тем же выходным сигналам многофункционального матричного фотоприемного устройства (ММФПУ). Устройство определения качества продуктов представляет собой устройство, содержащее блок источников света, в котором установлены светодиоды с различной длиной волны излучения R (красный), G (зеленый), В (синий). За светодиодами установлен светорассеиватель, призванный выровнять диаграммы направленности светодиодов и смешать их излучение в единый интегрированный многоспектральный световой поток. Диафрагма, формирующая расходящейся световой поток, расположена перед измерительной призмой, рабочая грань которой служит плоскостью раздела исследуемого продукта и призмы. При помещении продукта в кювету оптическая система формирует резкие границы тени и света на фоточувствительной поверхности ММФПУ для каждого спектрального диапазона. Далее полученные RGB электрические сигналы подаются на вычислительное устройство, в котором формируются показатели преломления и координаты цветности исследуемого продукта. Полученные значения сравнивают со значениями образца, выбранного за эталон, и по величине отклонений полученных значений определяют качество исследуемого продукта. Технический результат – повышение точности, ускорение и автоматизация процесса измерения и упрощение конструкции. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к получению и исследованию метаматериалов, в частности к оптической диагностике материалов с отрицательным показателем преломления. В способе определения оптического метаматериала, включающем падение коллимированного светового пучка под углом на пластинку исследуемого материала, на обе ее поверхности наносят диэлектрические и непрозрачные для светового пучка покрытия, при этом световой пучок проходит внутрь пластинки через входное окно, соизмеримое с толщиной пластинки и выполненное по центру в одном из покрытий. По положению выходного светового пучка относительно нормали к границе раздела сред в точке падения определяют принадлежность пластинки к метаматериалу. Способ прост в экспериментальной реализации, технологичен и надежно идентифицирует метаматериал с отрицательным показателем преломления. 3 н.п. ф-лы, 3 ил.

Наверх