Управляемый ультразвуком поляризатор терагерцового излучения



Управляемый ультразвуком поляризатор терагерцового излучения
Управляемый ультразвуком поляризатор терагерцового излучения

Владельцы патента RU 2723150:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Научно-технологический центр уникального приборостроения Российской академии наук (НТЦ УП РАН) (RU)

Изобретение относится к оптике терагерцового (ТГц) диапазона и может быть использовано для поляризации и амплитудной модуляции ТГц излучения без использования мобильных оптических устройств, размещаемых на пути пучка излучения. Суть изобретения заключается в том, что поляризатор, содержащий прозрачную среду со сформированной в ней из проводящего материала объемной дифракционной решеткой, щели которой ориентированы перпендикулярно направлению распространения излучения, дополнительно содержит герметичный контейнер, снабжен входным и выходным окнами, ориентированными перпендикулярно пучку излучения, а также источником ультразвука, испускающим пересекающую световой пучок волну, и плоским рефлектором, отражающим звук в обратном направлении, причем средой формирования решетки выбрана заполняющая контейнер жидкость, содержащая взвешенные в ней углеродные нанотрубки. Изобретение обеспечивает возможность регулирования степени поляризации контролируемого излучения без механического перемещения устройства или образующих его элементов. 1 ил.

 

Изобретение относится к оптике терагерцового (ТГц) диапазона (частота излучения от 1 до 10 ТГц) [1] и может быть использовано для поляризации и амплитудной модуляции ТГц излучения без использования мобильных оптических устройств, размещаемых на пути пучка излучения.

Для управления поляризацией ТГц излучения используют, главным образом, металлические [2] и полимерные поляризаторы [3], представляющие собой дифракционные решетки со стационарным пространственным распределением чередующихся полосовых прозрачных и проводящих областей [4].

Реже для поляризации терагерцового излучения используют его отражение под углом Брюстера от стопки кварцевых пластин [5]. Основным недостатком такого поляризатора, как и других известных дифракционных поляризаторов [2-4], является невозможность его регулировки или исключения из экспериментальной установки без механического перемещения.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является металлический поляризатор, содержащий прозрачную твердотельную основу в виде плоскопараллельной пластины, многослойную металлическую дифракционную решетку, сформированную в пластине и состоящую из изолированных друг от друга идентичных металлических полосок, одинаково ориентированных в плоскостях, параллельных фронтальным граням пластины [6]. Основным недостатком известного поляризатора является невозможность управления степенью поляризации контролируемого излучения без механического перемещения устройства или образующих его элементов.

В основу изобретения поставлена задача обеспечения возможности регулирования степени поляризации контролируемого излучения без механического перемещения устройства или образующих его элементов.

Суть изобретения заключается в том, что известный поляризатор, содержащий прозрачную среду со сформированной в ней из проводящего материала объемной дифракционной решеткой, щели которой ориентированы перпендикулярно направлению распространения излучения, дополнительно содержит герметичный контейнер, снабжен входным и выходным окнами, ориентированными перпендикулярно пучку излучения, а также - источником ультразвука, испускающим пересекающую световой пучок волну, и плоским рефлектором, отражающим звук в обратном направлении; причем, средой формирования решетки выбрана заполняющая контейнер жидкость, содержащая взвешенные в ней углеродные нанотрубки.

Возможность регулирования степени поляризации контролируемого излучения без механического перемещения поляризатора или образующих его элементов достигается путем изменения мощности ультразвуковой (УЗ) волны, формирующей при взаимодействии с отраженной звуковой волной стоячую волну, в узлах которой концентрируются и ориентируются взвешенные в жидкости углеродные нанотрубки (УНТ), поглощающие электромагнитное излучение с напряженностью электрического поля, совпадающей с направлением ориентации УНТ; чем больше интенсивность У3-волны, тем концентрированнее слои УНТ, тем больше проводимость этих слоев и тем сильнее поглощается электрическая составляющая излучения, направленная вдоль волнового фронта звуковой волны.

Способность сонаправленных УНТ, нанесенных на плоскую подложку, поляризовать проходящее через них ТГц излучение описана в работе [7]. Как и всем иным вышеописанным устройствам, поляризатору на основе упорядоченного слоя УНТ присуща невозможность управления степенью поляризации проходящего через него излучения без механического перемещения самого устройства.

О возможности пространственной ориентации УНТ, взвешенных в жидкости, с помощью интенсивной стоячей ультразвуковой волны сообщается в работах [8, 9]. Под воздействием звукового давления УНТ концентрируются в узлах волны и ориентируются вдоль ее волнового фронта, причем степень концентрации и ориентации частиц пропорциональна интенсивности волны.

На Фиг. 1 приведена схема заявляемого устройства, где цифрами обозначены: 1 - герметичный контейнер; 2 - прозрачная жидкость, содержащая взвешенные в ней углеродные нанотрубки (УНТ); 3 - излучатель ультразвука; 4 - рефлектор ультразвука; 5 - трехмерная дифракционная решетка, образованная слоевыми скоплениями и разрежениями УНТ; 6 - входное окно контейнера 1; 7 - коллимированный пучок неполяризованного ТГц излучения; 8 - источник ТГц излучения; 9 - пучок линейно поляризованного излучения; 10 - выходное окно контейнера 1.

Поляризатор работает следующим образом. В контейнере 1, наполненном жидкостью 2, излучатель 3 создает продольную ультразвуковую волну. Эта бегущая волна достигает рефлектора 4 и отражается им в противоположном направлении. В результате интерференции падающей и отраженной звуковых волн в жидкости 2 формируется акустическая стоячая волна. Под воздействием ее давления, углеродные нанотрубки (УНТ), взвешенные в жидкости 2, перераспределяются таким образом, что концентрация частиц в узлах волны повышается, а в пучностях - понижается. Чередование областей повышенной и пониженной концентрации УНТ образует проводящую трехмерную дифракционную решетку 5, в которой УНТ ориентированы вдоль волнового фронта звуковой волны. Поступающий через окно 6 пучок 7 неполяризованного ТГц излучения, генерируемого источником 8, взаимодействует с решеткой 5 и приобретает в результате этого выраженную эллиптическую (в пределе - линейную) поляризацию. Полученный таким образом пучок 9 поляризованного излучения покидает контейнер 1 через выходное окно 10. Изменяя интенсивность УЗ-волны, можно управлять степенью поляризации излучения, прошедшего через поляризатор; эта возможность является следствием зависимости концентрации УНТ в узлах УЗ-волны от ее интенсивности: чем интенсивнее волна, тем концентрированнее слои УНТ, тем больше проводимость этих слоев и тем сильнее поглощается электрическая составляющая излучения, направленная вдоль волнового фронта звуковой волны.

В качестве примера применения заявляемого устройства, рассмотрим возможность поляризации с его помощью излучения с длиной волны λ=130 мкм. В качестве жидкой среды, содержащей УНТ, выберем чистый гексан, прозрачный для ТГц излучения [10] и характеризуемый затуханием звука в нем равным 10-3 см-1/МГц2 и скоростью равной 1080 м/с при комнатной температуре [11]. Углеродные нанотрубки выберем цилиндрической формы диаметром 1÷3 нм и длиной до 1 мм [12]. Контейнер выберем в виде металлического куба с ребром равным 10 мм и снабдим его двумя окнами из полимера ТРХ (полиметилпентен) [4]. Излучатель ультразвука выберем изготовленным из пьезокерамики ЦТС-19 с размерами излучающей поверхности 8×10 мм и имеющим толщину, соответствующую резонансной частоте 11 МГц; рефлектор УЗ-волны - плоская металлическая пластинка размером 8×10 мм. Для генерации ультразвука приложим к излучателю напряжение с частотой 11 МГц и амплитудой 20 В, что соответствует интенсивности бегущей волны 5 Вт/см2. В результате взаимодействия прямой и отраженной звуковых волн, в контейнере образуется стоячая волна с периодом 50 мкм и интенсивностью примерно 50 Вт/см2, обуславливающая формирование виртуальной дифракционной решетки из слоевых скоплений и разрежений взвешенных в гексане УНТ. Проволочные дифракционные решетки с таким периодом широко используются для поляризации ТГц излучения [2, 13] и обеспечивают близкую к 100% степень поляризации излучения. При интенсивности УЗ-волны меньше 50 Вт/см2 (в результате понижения приложенного к пьезокерамическому излучателю электрического напряжения) границы между областями уплотнений и разрежений УНТ размываются (при сохранении периода их чередования), а степень поляризации проходящего через устройство излучения понижается.

Таким образом, по сравнению с прототипом, заявляемое устройство обеспечивает возможность регулирования степени поляризации контролируемого ТГц излучения без механического перемещения поляризатора или образующих его элементов.

Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки:

1. Handbook of terahertz technology for imaging, sensing and communications. Ed. by D. Saeedkia // Elsevier, 2013 (Woodhead Publishing Series in Electronic and Optical Materials, No. 34). - 688 p.

2. Cherkassky V.S., Knyazev B.A., Kulipanov G.N., Matveenko A.N., Rudych P.D., Vinokurov N.A. Study of polarizer characteristics with a high-power terahertz free electron laser // Intern. J. Infrared and Millim. Waves, 2007, v.28. No. 3, p.219-222.

3. Shiraishi K. and Muraki K. Metal-film subwavelength-grating polarizer with low insertion losses and high extinction ratios in the terahertz region // Optics Express., 2015, v. 23, Is. 13, p.16676-16681.

4. http://www.tydexoptics.com/ru/products/thz_optics/thz_polarizersl/

5. Wojdyla A. and Gallot G. Brewster's angle silicon wafer terahertz linear polarizer//Optics Express, 2011, v. 19, Is. 15, p.14099-14107.

6. Mao H.-Y., Xia L.-P., Rao X.-H., Cui H.-L., Wang S.-J., Deng Y.-S., Wei D.-S., Shen J., Xu H.-M., and Du C.-L. A terahertz polarizer based on multilayer metal grating filled in polyimide film // IEEE Photonics Journal, 2016, v. 8, No. 1, Art. 2200206 (прототип).

7. Ren L., Cary L. Pint C.L., Booshehri L.G., Rice W.D., Wang X., Hilton D.J., Takeya K., Kawayama I., Tonouchi M., Hauge R.H., and Kono J. Carbon nano-tube terahertz polarizer // Nano Letters, 2009, v. 9, No. 7, p.2610-2613.

8. Haslam M.D., Raeymaekers B. Aligning carbon nanotubes using bulk acoustic waves to reinforce polymer composites // Composites (B), 2014, v. 60, p.91-97.

9. Иванов B.B., Лошкарев A.A., Сухарев B.C., Карпович А.Л., Лизунова А.А., Власова М.Ф. Анизотропные спектры затухания ультразвука в водных дисперсиях с ориентированными углеродными нанотрубками // Доклады Академии Наук, 2016, т. 466, №6, с. 653-655.

10. Pedersen J.E. and Keiding S.R. THz time-domain spectroscopy of nonpolar liquids // IEEE J. Quantum Electronics, 1992, v.28, No. 10, p.2518-2522.

11. Таблицы физических величин. Под ред. И.К. Кикоина. - М.: Атомиздат, 1976. - 1005 с.

12. https://ocsial.com/ru/

13. Trofimov A.D., Chebotarev V.S., and Khodzitsky M.K. Metal grating terahertz polarizers on substrate // Progress In Electromagnetic Research Symposium (PIERS), St. Petersburg, 2017, p.3223-3225. doi: 10.1109/PIERS.2017.8262311

Управляемый ультразвуком поляризатор терагерцового излучения, содержащий прозрачную среду со сформированной в ней из проводящего материала объемной дифракционной решеткой, щели которой ориентированы перпендикулярно направлению распространения излучения, отличающийся тем, что он дополнительно содержит герметичный контейнер, снабженный входным и выходным окнами, ориентированными перпендикулярно пучку излучения, а также источником ультразвука, испускающим пересекающую световой пучок волну, и плоским рефлектором, отражающим звук в обратном направлении; причем средой формирования решетки выбрана заполняющая контейнер жидкость, содержащая взвешенные в ней углеродные нанотрубки.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к системе нейтрон-захватной терапии. Система содержит блок формирования пучка, содержащий вход пучка, генератор нейтронов, расположенный в блоке формирования пучка, который выполнен с возможностью вступать в ядерную реакцию с падающим пучком протонов из входа пучка для получения нейтронов, замедлитель, смежный с генератором нейтронов, при этом замедлитель выполнен с возможностью замедлять нейтроны до энергий надтепловых нейтронов, отражатель, окружающий генератор нейтронов и замедлитель, выполненный с возможностью отводить отклоненные нейтроны назад для усиления интенсивности пучка надтепловых нейтронов, выход пучка и по меньшей мере один подвижный элемент, выполненный с возможностью удаления от генератора нейтронов или приближения к нему, при этом подвижный элемент выполнен с возможностью перемещения между первым положением и вторым положением, причем, когда подвижный элемент находится в первом положении, генератор нейтронов является заменяемым, а когда подвижный элемент находится во втором положении, генератор нейтронов является незаменяемым.

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к средствам для нейтрон-захватной терапии. Блок формирования пучка для нейтрон-захватной терапии содержит вход пучка, мишень, причем мишень выполнена с возможностью вступать в ядерную реакцию с падающим пучком протонов из входа пучка для получения нейтронов, при этом нейтроны образуют пучок нейтронов, и пучок нейтронов определяет ось, замедлитель, примыкающий к мишени, причем замедлитель выполнен с возможностью замедления нейтронов до энергий надтепловых нейтронов и содержит по меньшей мере коническую конструкцию, которая содержит основной корпус и дополнительную секцию, окружающую основной корпус, при этом материалы основного корпуса и дополнительной секции различны, отражатель, окружающий замедлитель, причем отражатель выполнен с возможностью отведения нейтронов, отклоненных от основной оси, назад для увеличения интенсивности пучка надтепловых нейтронов, поглотитель тепловых нейтронов, примыкающий к замедлителю, при этом поглотитель тепловых нейтронов используется для поглощения тепловых нейтронов для предотвращения передозировки в поверхностной здоровой ткани в течение терапии, экран защиты от излучения, расположенный внутри блока формирования пучка, причем экран защиты от излучения используется для экранирования утечки нейтронов и фотонов, чтобы уменьшить дозу здоровой ткани, не подвергаемой облучению, и выход пучка, при этом основной корпус изготовлен из любого из D2O, AlF3, Fluental™, CaF2, Li2CO3, MgF2 и Al2O3, а дополнительная секция изготовлена из любого из Zn, Mg, Al, Ti, La, Pb, Zr и Bi.

Изобретение относится к способу изготовления рентгеновских рефракционных линз и может быть использовано для получения остросфокусированных микропучков рентгеновских лучей с высокой плотностью потока фотонов, применяемых в различных областях науки и техники.

Изобретение относится к способу авторегулирования и стабилизации интенсивности синхроциклотрона при протонно-лучевом облучении больных. Способ основан на широтно-импульсном авторегулировании и стохастическом изменении скважности следования импульсов протонного пучка путем введения отрицательной обратной связи по знаку разности между измеряемой и заданной порциями дозы.

Изобретение относится к области электронно-лучевой техники. Диафрагмы с окнами могут иметь первую поверхность и вторую поверхность и один или более элементов, простирающихся от первой поверхности до второй поверхности.

Группа изобретений относится к радиационным методам контроля, а именно к рентгенографическому способу, и может быть использовано при верификации положения пациента относительно изоцентра аппарата для дистанционной лучевой терапии.

Предлагаемое изобретение относится к области квантовой электроники, устройствам для получения управляемого прерывания атомного пучка с регулировкой его интенсивности, и может быть использовано в атомно-лучевых стандартах частоты с пучками, например, стронция, рубидия или цезия.

Группа изобретений относится к медицинской технике, а именно к средствам визуализации при проведении компьютерной томографии. Устройство содержит источник излучения для испускания излучения из фокальной области через зону визуализации, блок обнаружения излучения из зоны визуализации, который содержит антирассеивающую решетку и детектор, гентри, на котором установлены источник излучения и блок обнаружения, и который допускает поворот источника излучения и блока обнаружения вокруг зоны визуализации, и контроллер для управления блоком обнаружения, чтобы обнаруживать излучение во множестве положений проекций во время поворота вокруг зоны визуализации, при этом контроллер выполнен с возможностью для манипуляции положением, настройкой и/или ориентацией, по меньшей мере, части упомянутого источника излучения и/или упомянутого блока обнаружения в первых положениях проекций таким образом, что излучение, падающее на детектор в первых положениях проекций, ослабляется антирассеивающей решеткой в большей степени по сравнению со вторыми положениями проекций, представляющими собой остальные положения проекций.

Изобретение относится к средству получения изображений в пучках волн или частиц. Устройство многопроекционной съемки содержит неподвижный источник излучения для формирования пучка излучения в виде волн или частиц; вращающуюся двухплечевую опору, оба плеча которой находятся по разные стороны от ее оси вращения, совпадающей с осью пучка излучения; по меньшей мере один изогнутый капилляр, каждый из которых предназначен для пропускания пучка излучения и закреплен на одном плече двухплечевой опоры так, что его входной конец обращен к неподвижному источнику излучения, а выходной конец направлен под заданным углом к оси вращения и смещен относительно этой оси вращения на первую заданную величину; детектор излучения для детектирования пучка излучения, неподвижно закрепленный на другом плече двухплечевой опоры напротив выходных концов изогнутых капилляров и смещенный относительно оси вращения на вторую заданную величину; привод вращения, выполненный с возможностью вращать двухплечевую опору вокруг снимаемого объекта, размещенного на оси вращения между выходными концами изогнутых капилляров и детектором излучения.

Группа изобретений относится к медицинской технике, а именно к двухэнергетической томографии. Способ двухэнергетической томографии в коническом пучке включает формирование посредством рентгеновского аппарата направленного потока рентгеновского излучения через тело пациента, разделение прошедшего сквозь область тела пациента излучения на низкоэнергетическую и высокоэнергетическую составляющие рентгеновского спектра посредством фильтра, регистрацию прошедшего излучения на плоскопанельном детекторе рентгеновского излучения, обработку данных с детектора после завершения экспонирования и получения томограммы, при этом фильтр закреплен на торце плоскопанельного детектора рентгеновского излучения, поглощает низкоэнергетическую составляющую рентгеновского спектра и перекрывает половину пикселей детектора в шахматном порядке или посредством параллельных ламелей, половина пикселей детектора регистрирует излучение, не взаимодействовавшее с фильтром, и образует первую группу пикселей, а другая половина пикселей детектора регистрирует излучение, прошедшее через фильтр, и образует вторую группу пикселей, при этом обеспечивается условие регистрации излучения, когда комбинация четырех рядом стоящих пикселей состоит из двух пикселей первой группы, регистрирующих излучение, не взаимодействующее с фильтром и представляющее полный спектр рентгеновского излучения, и двух пикселей второй группы, регистрирующих излучение, прошедшее через фильтр и представляющее высокоэнергетическую составляющую спектра рентгеновского излучения, при обработке данных в каждой из групп пикселей проводят сложение сигналов, вычитают сигнал второй группы пикселей из первой и получают информацию о низкоэнергетической составляющей спектра рентгеновского излучения, полученной для четырех пикселей первой и второй групп, которую относят к средней координате этих пикселей при получении томограммы.

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к системе нейтрон-захватной терапии. Система содержит блок формирования пучка, содержащий вход пучка, генератор нейтронов, расположенный в блоке формирования пучка, который выполнен с возможностью вступать в ядерную реакцию с падающим пучком протонов из входа пучка для получения нейтронов, замедлитель, смежный с генератором нейтронов, при этом замедлитель выполнен с возможностью замедлять нейтроны до энергий надтепловых нейтронов, отражатель, окружающий генератор нейтронов и замедлитель, выполненный с возможностью отводить отклоненные нейтроны назад для усиления интенсивности пучка надтепловых нейтронов, выход пучка и по меньшей мере один подвижный элемент, выполненный с возможностью удаления от генератора нейтронов или приближения к нему, при этом подвижный элемент выполнен с возможностью перемещения между первым положением и вторым положением, причем, когда подвижный элемент находится в первом положении, генератор нейтронов является заменяемым, а когда подвижный элемент находится во втором положении, генератор нейтронов является незаменяемым.
© Патентный поиск, поиск патентов на изобретения - FindPatent.RU 2012-2024
Политика конфиденциальности 2019-12-02 2020-06-09T12:58:21
Наверх