Устройство для формирования фотонного крюка

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к фокусирующим устройствам. Устройство для формирования «фотонного» крюка, состоящее из устройства для фокусировки излучения, фокусирующего излучение от источника излучения и имеющего плоские входную и выходную апертуры, выполненное в форме кубоида из метаматериала с эффективным показателем преломления, лежащим в диапазоне от 1,2 до 1,76, а длина каждой стороны кубоида (L) определяется из соотношения L≈kN, N=1, 2, 3 …, где – длина волны излучения освещающего устройства, k – эмпирический коэффициент k=0,98…1,2, отличается тем, что устройство для фокусировки излучения состоит из решетки параллельных металлических пластин равной толщины, расположенных под углом в диапазоне не менее 30 и не более 60 градусов к падающему излучению, с расстоянием между пластинами не более /2. Технический результат - фокусировка электромагнитной волны и формирование «фотонного» крюка в независимости от показателя преломления окружающей среды. 2 ил.

 

Изобретение относится к области оптического приборостроения и относится к фокусирующим устройствам, предназначенным, в частности, для фокусировки электромагнитного излучения в локальную область с субдифракционными размерами и может быть использовано в терагерцовом диапазоне и акустике.

Фотонные наноструи это узкая область фокусировки, формируемая на теневой границе диэлектрической частицы с различной формой поверхности, с относительно небольшими относительными показателями преломления (n≤2), с протяженностью более длины волны излучения λ и минимальной шириной порядка λ/3-λ/4 (A. Heifetzetal. Photonicnanojets // J Comput Theor Nanosci. 2009 September 1; 6(9): 1979-1992. doi:10.1166/jctn.2009.1254).

Фотонный крюк является разновидностью фотонной струи и впервые предложен авторами. Фотонный крюк это искривленная фотонная струя на расстоянии порядка длины волны излучения (Minin I. V., Minin O. V. Diffractive optics and nanophotonics: Resolution below the diffraction limit. - Springer, 2016 [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.springer.com/us/book/9783319242514#aboutBook).

Устройства формирования «фотонного» крюка могут быть использованы в оптических ловушках и пинцетах при изучении структурных, биофизических, морфологических и оптических свойств частиц биологической ткани в условиях in vivo и их взаимодействия с окружающей средой для удерживания частиц в определенном месте биоткани или манипулирования ими, (Ashkin and Dziedzic. Optical trapping and manipulation of viruses and bacteria // Science. 1987 Mar 20; 235(4795):1517-20), в качестве сверхточного лазерного скальпеля (O. V. Minin, I. V. Minin, N. Kharitoshin. Microcubes Aided Photonic Jet Scalpel Tips for Potential Use in Ultraprecise Laser Surgery // 2015 International Conference on Biomedical Engineering and Computational Technologies (SIBIRCON), 28-30 Oct. 2015, p.18-21. DOI: 10.1109/SIBIRCON.2015.7361842).

Возможность субволновой фокусировки излучения в криволинейную область в форме «фотонного» крюка, создаваемого диэлектрическими устройствами с асимметричными структурами рассмотрена в (Liyang Yue, O. V. Minin, Zengbo Wang, James N. Monks, A. S. Shalin, and I. V. Minin. Photonic hook: a new curved light beam // Optics Letters, Vol. 43, No. 4 / 15 February 2018, рр. 771-774), с асимметричными композициями материалов (G. Gu, L. Shao, J. Song, J. Qu, K. Zheng, X. Shen, Z. Peng, J. Hu, X. Chen, M. Chen, and Q. Wu, Photonic hooks from Janus microcylinders // Opt. Express 27, 37771 (2019)). В работе (C.-Y. Liu, H.-J. Chung, and H.-P. E, Reflective photonic hook achieved by dielectric-coated concave hemi-cylindrical mirror // J. Opt. Soc. Am. B, (2020). DOI: 10.1364/JOSAB.399434) было рассмотрено устройство формирования «фотонного» крюка в режиме отражения, достигаемый вогнутым гемицилиндрическим зеркалом с диэлектрическим покрытием.

Хорошо известно, что поверхностная плазмонная волна распространяется по прямой линии, но это утверждение нарушается искусственным искривленным светом - плазмонным «фотонным» крючком. В работе [Igor V. Minin, Oleg V. Minin, Igor A. Glinskiy, and Dmitry S. Ponomarev. Photonic hook plasmons: a new curved surface wave // Preprints (www.preprints.org), doi:10.20944/preprints201809.0113.v1; патент РФ 2746681] рассмотрено и исследовано устройство формирования искривленных поверхностных плазмонных волн - «фотонный» крючок плазмона. Он распространяется по масштабируемой по длине волны криволинейной траектории с радиусом меньше длины волны поверхностного плазмонного поляритона и может существовать, несмотря на сильную диссипацию энергии на поверхности металла. Плазмонный «фотонный» крючок создается устройствами с асимметричными структурами.

Идея «фотонного» крючка была также распространена на акустические крючки [C. Rubio, D. Tarrazo-Serrano, O. V. Minin, A. Uris, and I. V. Minin, Acoustical hooks: A new subwavelength self-bending beam // Results Phys. 16, 102921 (2020)]. Было исследовано применение акустических крючков для улавливания частиц [X. M. Ren, Q. X. Zhou, Z. Xu, and X. J. Liu, Acoustic hook beam lens for particle trapping // Appl. Phys. Express 13, 064003 (2020)].

В (Zeng Peng, Guoqiang Gu, Liyang Shao, Xingliang Shen. Easily tunable long photonic hook generated from Janus liquids-filled hollow microcylinder // Arxiv: 2007.13093 (2020)) для получения легко перестраиваемого и длинного «фотонного» крючка разработано устройство с симметричной геометрией, но с асимметричным диэлектрической структурой. Устройство содержит полый микроцилиндр и две нерастворимые жидкости, которые могут образовывать границу раздела жидкость-жидкость. При вращении полого микроцилиндра угол между поверхностью раздела жидкость-жидкость и падающим светом будет изменен. Поэтому свойства «фотонного» крючка можно регулировать, включая кривизну и полную ширину при половинных максимумах (FWHM) «фотонного» крючка.

Известно устройство формирования «фотонного» крючкак в свободном пространстве, включающего асимметричное освещение симметричной дидектрической микрочастицы, например, в форме цилиндра или сферы [V. Minin, O. V. Minin, C.-Y. Liu, and H.-D. Wei, A. Karabchevsky. Simulation and experimental observation of tunable photonic nanojet and photonic hook upon asymmetric illumination of a mesoscale cylinder with mask // ArXiv: 2004.05911 (2020); C.-Y. Liu; H.-J. Chung, O.V. Minin, I.V. Minin. Shaping photonic hook via well-controlled illumination of finite-size graded-index micro-ellipsoid // Journal of optics 22, 085002 (2020)].

Недостатком известных устройств формирования «фотонного» крюка является сложные форма и структура формирующего устройства и необходимость поддержания оптического контраста диэлектрического материала формирующего устройства по отношению к окружающей среде.

Известно устройство для формирования оптической ловушки в форме фотонного крюка по патенту РФ 161207 содержащее один или несколько источников когерентного излучения, фокусирующее устройство с малым фокусным расстоянием и микрочастицу, расположенную в области сфокусированного излучения, при этом фокусирующее устройство выполнено в виде диэлектрической частицы из материала, обеспечивающего оптический контраст по отношению к окружающей среде равный 1,2-1,75 и имеющей форму кубоида, одно ребро которого совмещено с одной боковой гранью прямой треугольной призмы, выполненной из того же материала и с размером ребра совпадающего с величиной ребра кубоида, равного (0,9-1,3)Nλ, где N целое число, λ длина волны используемого излучения в среде, при этом излучение падает на гипотенузу призмы.

Недостатком устройства формирования «фотонного» крюка является его сложная форма и необходимость поддержания оптического контраста диэлектрического материала формирующего устройства по отношению к окружающей среде.

Известно устройство для формирования оптической ловушки в форме фотонного крюка по патенту РФ 195603, содержащее один или несколько источников когерентного излучения, фокусирующее устройство с малым фокусным расстоянием, выполненное в виде диэлектрической частицы из материала, обеспечивающего оптический контраст по отношению к окружающей среде, и микрочастицы, расположенной в области сфокусированного излучения, при этом фокусирующее устройство выполнено в форме кубоида, состоящего из двух частей в форме правильных треугольных призм, сопряженных по диагонали и выполненных из материалов с различными показателями преломления, с оптическим контрастом по отношению к окружающей среде первой правильной треугольной призмы, на боковую поверхность которой падает излучение, равным примерно 1,4-1,75, и показателем преломления материала второй правильной треугольной призмы меньше показателя преломления материала первой правильной треугольной призмы в 0,8-1,2 раза.

Недостатком устройства формирования «фотонного» крюка является его сложная неоднородная диэлектрическая структура и необходимость поддержания оптического контраста диэлектрического материала формирующего устройства по отношению к окружающей среде.

Известно устройство динамически управляемой оптической ловушки позволяющей изменять форму области фокусировки излучения и ее положение в пространстве для оперативного манипулирования микро- и нано- частицами по патенту РФ 195550, содержащее жидкокристаллический слой, обладающий эффектом двулучепреломления и расположенный между электродами, при этом жидкокристаллический слой имеет форму кубоида, обеспечивающего оптический контраст по отношению к окружающей среде, равный 1,2-1,75 с величиной ребра, равного (0,9-1,3)nλ, где n - целое число, λ - длина волны используемого излучения в среде, и составлен из двух однородных треугольных призм, соединенных вдоль диагонали кубоида, c относительным показателем преломления а=N₂/N₁, находящимся в диапазоне примерно от 0,8 до 1,2, где N₂ - показатель преломления материала однородной треугольной призмы на входе устройства и N₁ - показатель преломления материала однородной треугольной призмы на выходе устройства.

Недостатком устройства формирования «фотонного» крюка является его сложная неоднородная диэлектрическая структура и необходимость поддержания оптического контраста диэлектрического материала формирующего устройства по отношению к окружающей среде.

Известна субволновая оптическая ловушка в поле стоячей волны на основе фотонной струи по патенту РФ 202241, содержащая лазерный источник излучения, фокусирующее устройство, отражающий экран, облучающее устройство формирования фотонной струи, выполненное в виде диэлектрической пластины, толщиной прямоугольной пластины по нормали к отражающему экрану равному (0,3-1,5)*λ, с показателем преломления материала пластины равному 1,2-1,95, где λ - длина волны излучения в среде, при этом отражающий экран выполнен в виде вогнутого цилиндрического зеркала, состоящего из двух равных частей, смещенных одна относительно другой вдоль оптической оси, диэлектрическая пластина выполнена вогнутой, расположенной непосредственно на одной из половин цилиндрического зеркала и заполняющей впадину цилиндрического зеркала, образуя общую цилиндрическую поверхность из двух половин.

При толщине пластины по нормали к отражающему экрану (0,3-1,5)λ, оптическом контрасте материала диэлектрика пластины (1,2-1,95), где λ - длина волны излучения в среде, формируется фотонный крюк (криволинейная область локализации электромагнитного поля вдоль распространения излучения).

Недостатком устройства формирования «фотонного» крюка является его сложная форма и необходимость поддержания оптического контраста диэлектрического материала формирующего устройства по отношению к окружающей среде, формирование «фотонного» крюка со стороны падающего излучения.

Известно устройство для формирования «фотонной» струи по патенту РФ 164738 и принятое за прототип, состоящее из устройства для фокусировки излучения, фокусирующего излучение от источника излучения и имеющего плоские входную и выходную апертуры, выполненное в форме кубоида из метаматериала с эффективным показателем преломления, изменяющегося в диапазоне от 1,2 до 1,76, выполненного в виде диэлектрик с системой отверстий в нем, а длина каждой стороны кубоида (L) определяется из соотношения L≈kλN, N=1, 2, 3 …, где λ длина волны излучения освещающего устройство, k - эмпирический коэффициент k=0,98…1,2.

Недостатком устройства являются невозможность с его помощью осуществить формирование «фотонного» крюка, необходимость поддержания оптического контраста диэлектрического материала формирующего устройства по отношению к окружающей среде и невозможность его использования при больших мощностях излучения освещающего фокусирующее устройство, а так же сложность устройства из за необходимости выполнения малых отверстий в диэлектрике, диаметром d≈0,1λ, где λ длина волны используемого излучения.

Задача данного изобретения устранение указанных недостатков, а именно разработать устройство для фокусировки излучения для фокусировки электромагнитной волны и формирования «фотонного» крюка в независимости от показателя преломления окружающей среды и возможности его использования при больших мощностях излучения освещающего фокусирующее устройство.

Указанная задача достигается тем, что устройство для формирования «фотонного» крюка, состоящее из устройства для фокусировки излучения, фокусирующего излучение от источника излучения и имеющего плоские входную и выходную апертуры, выполненное в форме кубоида из метаматериала с эффективным показателем преломления, лежащем в диапазоне от 1,2 до 1,76, а длина каждой стороны кубоида (L) определяется из соотношения L≈kλN, N=1, 2, 3 …, где λ длина волны излучения освещающего устройство, k - эмпирический коэффициент k=0,98…1,2 новым является то, что устройство для фокусировки излучения состоит из решетки параллельных металлических пластин равной толщины расположенных под углом к падающему излучению, с расстоянием между пластинами не более λ/2.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 показано устройство для формирования «фотонного» крюка.

На фиг. 2 показаны результаты моделирования формирования «фотонного» крюка кубоидным фокусирующим устройством с размером ребра 3λ, состоящим из металлической решетки, составленной из полос равной толщины и наклоненных по отношению к падающему излучению. Белой линией показано сечение с максимальной интенсивностью излучения.

На фиг. 1 обозначены: 1 - источник излучения; 2 - падающее излучение на устройство формирования «фотонного» крюка, 3 - устройство формирования «фотонного» крюка; 4 -окружающая среда; 5 - «фотонный» крюк.

Заявляемое устройство работает следующим образом.

Источник электромагнитного излучения 1 формирует излучение 2, которое освещает устройство формирования «фотонного» крюка 3. Устройство формирования «фотонного» крюка 3 находится в окружающей среде 4 (газе или жидкости), имеющей показатель преломления N. Эта среда находится 4 и внутри металлической решетки, составленной из полос равной толщины и наклоненных по отношению к падающему излучению 2.

Принцип действия такой искусственной среды заключается в том, чтобы заставить волны двигаться между наклонно расположенными пластинами. В этом случае, проходимый путь возрастает в 1/cosθ раз, что соответствует эффективному показателю преломления n_эф по отношению к распространению волн в свободном пространстве n_эф=1/cos? [Kock W. E. Metal-lens antennas // Proc. IRE. 34, 828-36 (1946); Winston E. Kock. Metallic Delay Lenses // Bell System Technical Journal, 1948, 27, р. 58-82].

В таком искусственном диэлектрике эффективный показатель преломления зависит только от угла наклона пластин решетки. А относительный показатель преломления не зависит от показателя преломления окружающей среды, так как n_эф увеличивается прямо пропорционально показателю преломления окружающей среды. В таблице приведены значения эффективного показателя преломления n_эф от угла наклона пластин.

Таблица
Эф. показатель преломления, nэф	1	1,02	1,06	1,15	1,31	1,56	1,74	2
Угол наклона пластин	0	10	20	30	40	50	55	60

Учет принципа Гюйгенса-Френеля и суммирование элементарных волн, зарождающихся за щелями между полосками, показывает, что, однако, возможна фокусировка падающей волны с плоским волновым фронтом в «фотонный» крюк.

В результате дифракции электромагнитной волны на углах кубоида (устройства формирования «фотонного» крюка 3) и интерференции волн прошедших через устройства формирования «фотонного» крюка 3 формируется область фокусировки излучения в форме «фотонного» крюка 5 в области угла кубоида.

В результате экспериментальных исследований и результатов математического моделирования было обнаружено, что выполнение устройства для фокусировки излучения в форме кубоида из метаматериала с эффективным относительным показателем преломления, по отношению к показателю преломления окружающей среды, более примерно 1,76 происходит формирование «фотонного» крюка внутри тела устройства. При эффективном относительном показателе преломления менее 1,2 область формирования «фотонного» крюка удаляется от плоской выходной апертуры устройства и происходит его дефокусировка.

Минимальный размер устройства для фокусировки излучения в форме кубоида порядка длины волны используемого излучения, поэтому размер апертуры плоской устройства формирования «фотонного» крюка равен примерно длине волны падающего волнового фронта. Было обнаружено, что устройства для фокусировки излучения сохраняет свои фокусирующие свойства на гармониках излучения.

Особенностью устройства является возможность формирования «фотонной» струи в области угла кубоида, а не по оси симметрии устройства, как у линз и отсутствие в устройстве диэлектрика, что позволяет его использовать при больших интенсивностях падающего излучения. Кроме того, это устройство сохраняет свою работоспособность и для акустических волн.

Устройство формирования «фотонного» крюка на фиг. 2 состоит из решетки пластин расположенных под углом к падающему излучению, выполненных из меди толщиной 0,1 мм и образующих кубоид с величиной ребра равного 3λ. Расстояние между пластинами выбиралось не более λ/2, примерно равное 0,4λ. При уменьшении расстояния между пластинами увеличивается «однородность» искусственного диэлектрика, но уменьшается величина интенсивности поля проходящая через такую среду. Эффективный показатель преломления линзы изменялся от 1,2 до 1,76.

Выполнение решетки параллельных металлических пластин равной толщины позволяет упростить устройство и уменьшить потери электромагнитного излучения при распространении внутри устройства формирования «фотонного» крюка.

Изготовить предлагаемое устройство формирования «фотонного» крюка возможно, например, по способу описанного в [Takehito Suzuki, Masashi Sekiya and Hideaki Kitahara. Terahertz beam focusing through designed oblique metal-slit array // Applied Optics, Vol. 58, No. 15, 20 May 2019, рр. 4007-4013] и примененного для изготовления терагерцовых линз из искусственного материала образованного из металлических наклонных пластин и эффективным показателем преломления 1,31 на частоте 0,5 ТГц.

Такая искусственная среда имеет эффективный показатель преломления который зависит только от угла наклона пластин. В искусственных материалах возможно спроектировать любой эффективный показатель преломления, как менее 1, так и более 1 [Rajind Mendis, Daniel M. Mittleman. Artifical dielectrics // IEEE Microwave Magazine, Novemder/December 2014, p. 34-42; Yang Q, Gu J, Wang D, Zhang X, Tian Z, Ouyang C, Singh R, Han J, Zhang W. Efficient flat metasurface lens for terahertz imaging // Opt. Exp. 22, 25931-25939 (2014); Takehito Suzuki, Hiroki Yonamine, Takuya Konno, John C. Young, Kotaro Murai, Fumiaki Miyamaru, Keisuke Takano, Hideaki Kitahara & Masanori Hangyo. Analysis and design of concave lens with metallic slit array for terahertz wave band // Appl. Phys. A. 115, 495-500 (2014); Rajind Mendis, Masaya Nagai, Yiqiu Wang, Nicholas Karl & Daniel M. Mittleman. Terahertz Artificial Dielectric Lens // Scientific Reports, 2016, 6:23023, DOI: 10.1038/srep23023; Jones, S. S. D. & Brown, J. Metallic Delay Lenses // Nature 163, 324-325 (1949); Brown, J. Artificial dielectrics having refractive indices less than unity // Proc. IEE. 100, 51-62 (1953); Kock W. E. Metal-lens antennas // Proc. IRE. 34, 828-836 (1946); Winston E. Kock. Metallic Delay Lenses // Bell System Technical Journal, 1948, 27, р. 58-82].

Указанными факторами и достигается технический эффект заявляемого изобретения, заключающийся в осуществлении возможности субволновой фокусировки излучения в криволинейную область в форме фотонного крюка.

Новизна заявляемой устройства формирования «фотонного» крюка заключается в том, что ранее не были известны методы формирования криволинейной области повышенной концентрации электромагнитного поля (фотонной струи) в виде фотонного крюка с помощью фокусирующего устройства кубической формы, выполненного из метаматериала, выполненного из системы металлических полос, расположенных под углом к падающему излучению.

Устройство для формирования «фотонного» крюка, состоящее из устройства для фокусировки излучения, фокусирующего излучение от источника излучения и имеющего плоские входную и выходную апертуры, выполненное в форме кубоида из метаматериала с эффективным показателем преломления, лежащим в диапазоне от 1,2 до 1,76, а длина каждой стороны кубоида (L) определяется из соотношения L≈kN, N=1, 2, 3 …, где – длина волны излучения освещающего устройство, k – эмпирический коэффициент k=0,98…1,2, отличается тем, что устройство для фокусировки излучения состоит из решетки параллельных металлических пластин равной толщины, расположенных под углом в диапазоне не менее 30 и не более 60 градусов к падающему излучению, с расстоянием между пластинами не более /2.