RU153686U1

RU153686U1 - DEVICE FOR FORMING A PHOTON JET WITH AN INCREASED FOCUS DEPTH

Info

Publication number: RU153686U1
Application number: RU2014154285/28U
Authority: RU
Inventors: Игорь Владиленович Минин; Олег Владиленович Минин
Priority date: 2014-12-30
Filing date: 2014-12-30
Publication date: 2015-07-27

Abstract

Полезная модель относится к области к области оптического приборостроения к диэлектрическим фокусирующим устройствам, в частности для фокусировки электромагнитного излучения в локальную область с субдифракционными размерами. Устройство для формирования фотонной струи с увеличенной глубиной фокуса, состоящего из источника излучения и диэлектрической частицы с характерным размером, сравнимым с длиной волны падающего излучения, отличающееся тем, что на поверхности диэлектрической частицы, обращенной к падающему волновому фронту, нанесен слой материала, не пропускающего падающее на частицу излучение, при этом поперечные размеры этого материала составляют 0.1-0.8 от максимального поперечного размера частицы. При этом диэлектрическая частица в продольном направлении со стороны, противоположной направлению падения излучения, выполнена усеченной формы. The utility model relates to the field of optical instrumentation to dielectric focusing devices, in particular for focusing electromagnetic radiation in a local region with subdiffraction dimensions. A device for forming a photon jet with an increased focus depth, consisting of a radiation source and a dielectric particle with a characteristic size comparable to the wavelength of the incident radiation, characterized in that a layer of material is deposited on the surface of the dielectric particle facing the incident wave front, which does not allow the incident radiation per particle, while the transverse dimensions of this material are 0.1-0.8 of the maximum transverse particle size. In this case, the dielectric particle in the longitudinal direction from the side opposite to the direction of radiation incidence is made of a truncated shape.

Description

Полезная модель относится к области оптического приборостроения и относится к диэлектрическим фокусирующим устройствам, предназначенное, в частности, для фокусировки электромагнитного излучения в локальную область с субдифракционными размерами.The invention relates to the field of optical instrumentation and relates to dielectric focusing devices, intended, in particular, for focusing electromagnetic radiation in a local region with subdiffraction dimensions.

В настоящее время наблюдается стойкая тенденция к миниатюризации устройств детектирования сигналов, особенно дальнего ИК и терагерцового диапазона, основанных на дифракционных и интерференционных принципах, и интегрированных в единый блок (ЧИП).Currently, there is a persistent trend towards miniaturization of signal detection devices, especially the far infrared and terahertz ranges, based on diffraction and interference principles, and integrated into a single unit (ChIP).

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.A device for forming a photon jet with superresolution properties is known, consisting of a radiation source and a weakly absorbing dielectric particle with a diameter comparable to the wavelength of the incident radiation and located along the direction of radiation propagation [Heinz Yu.E., Zemlyanoy A.A., Panina E. TO. Comparative analysis of spatial forms of photonic jets from spherical dielectric microparticles // Atmospheric and Ocean Optics. 2012.Vol. 25, No. 5. S. 417-424]. In this case, the dielectric particle is made in the form of a spheroid.

Известное устройство формирует фотонную струю вдоль направления падения излучения в режиме «на прохождение» (т.е. область формирования фотонной струи находится с противоположной стороны диэлектрической частицы относительно источника излучения).The known device generates a photon stream along the direction of incidence of the radiation in the "pass through" mode (ie, the region of formation of the photon stream is on the opposite side of the dielectric particle relative to the radiation source).

В настоящее время основными параметрами, позволяющими оптимизировать характеристики ФНС сфероидальных частиц, являются: форма падающего волнового фронта (плоский или гауссовый), параметр Ми частицы [Рассеяние света малыми частицами / Г. ван де Хюлст; пер. с англ. Т.В. Водопьяновой, под ред. В.В. Соболева. - М.: Изд-во иностранной литературы, 1961. - 536 с.] и относительный показатель преломления материала частицы и среды [Myun-Sik Kim, Toralf Scharf, Stefan Mtihlig, Carsten Rockstuhl, and Hans Peter Herzig. Engineering photonic nanojets // OPTICS EXPRESS, Vol.19, No. 11,10206 (2011)].Currently, the main parameters that allow optimizing the characteristics of the FTS of spheroidal particles are: the shape of the incident wave front (flat or Gaussian), the Mi particle parameter [Light scattering by small particles / G. van de Hulst; trans. from English T.V. Vodopyanova, ed. V.V. Sobolev. - M .: Publishing house of foreign literature, 1961. - 536 p.] And the relative refractive index of the material of the particle and medium [Myun-Sik Kim, Toralf Scharf, Stefan Mtihlig, Carsten Rockstuhl, and Hans Peter Herzig. Engineering photonic nanojets // OPTICS EXPRESS, Vol. 19, No. 11.10206 (2011)].

В устройстве для формирования фотонной струи с оптимальными размерами этой струи (минимальный диаметр для обеспечения сверхразрешения) глубина фокуса (протяженность струи вдоль направления распространения излучения на полувысоте по уровню мощности) обычно составляет около длины волны излучения, что недостаточно для решения ряда практических задач. Кроме того, выполнение частицы в виде сфероида усложняет технологию их изготовления и не обеспечивает совместимость с другими микро- и нано-устройствами преимущественно террагерцового диапазона, а продольные размеры устройства достаточно велики, определяемые в основном размерами частицы.In a device for forming a photon jet with the optimal size of this jet (the minimum diameter to ensure superresolution), the depth of focus (the length of the jet along the direction of radiation propagation at half maximum in terms of power) is usually about the radiation wavelength, which is not enough to solve a number of practical problems. In addition, the implementation of the particles in the form of a spheroid complicates the technology of their manufacture and does not provide compatibility with other micro- and nano-devices of the predominantly terahertz range, and the longitudinal dimensions of the device are quite large, determined mainly by the particle size.

Известно устройство для формирования фотонной струи террагерцового диапазона, обладающей свойствами сверхразрешения и состоящее из источника излучения и слабопоглощающей диэлектрической частицы с характерным размером, сравнимым с длиной волны падающего излучения, и расположенной вдоль направления распространения излучения [V.Pacheco-Pena, М. Beruete, I. V. Minin, О. V. Minin. Terajets produced by 3D dielectric cuboids // Appl. Phys. Lett. 105, 084102 (2014); http://dx.doi.org/10.1063/1.4894243)]. При этом частица выполнена в виде куба, а оптимальные размеры диэлектрической кубической частицы удовлетворяют соотношению:A device is known for forming a terrahertz photon jet having superresolution properties and consisting of a radiation source and a weakly absorbing dielectric particle with a characteristic size comparable to the wavelength of the incident radiation and located along the radiation propagation direction [V. Pacheco-Pena, M. Beruete, IV Minin, O. V. Minin. Terajets produced by 3D dielectric cuboids // Appl. Phys. Lett. 105, 084102 (2014); http://dx.doi.org/10.1063/1.4894243)]. In this case, the particle is made in the form of a cube, and the optimal dimensions of the dielectric cubic particle satisfy the relation:

где: k - эмпирический коэффициент, равный (0.90-2.2), L - высота кубоида, H - длина стороны кубоида, λ - длина волны падающего волнового фронта, n/n₀ - относительное значение показателя преломления материала кубоида и окружающей среды.where: k is the empirical coefficient equal to (0.90-2.2), L is the cuboid height, H is the cuboid side length, λ is the wavelength of the incident wave front, n / n ₀ is the relative value of the refractive index of the cuboid material and the environment.

Указанное устройство выбрано в качестве прототипа. Такое устройство позволяет упростить технологию их изготовления и обеспечить совместимость с другими микро- и нано-устройствами преимущественно террагерцового диапазона.The specified device is selected as a prototype. Such a device allows to simplify the technology of their manufacture and to ensure compatibility with other micro- and nano-devices, mainly in the terrahertz range.

Однако и в этом устройстве для формирования фотонной струи с оптимальными размерами этой струи (минимальный диаметр для обеспечения сверхразрешения) глубина фокуса (протяженность струи вдоль направления распространения излучения на полувысоте по уровню мощности) обычно составляет около длины волны излучения, что недостаточно для решения ряда практических задач. А продольные размеры устройства также достаточно велики, определяемые в основном размерами частицы.However, even in this device for the formation of a photon jet with the optimal dimensions of this jet (the minimum diameter to ensure superresolution), the depth of focus (the length of the jet along the direction of radiation propagation at half maximum in power level) is usually about the radiation wavelength, which is not enough to solve a number of practical problems . And the longitudinal dimensions of the device are also quite large, determined mainly by the particle size.

Задачей настоящей полезной модели является устранение указанных недостатков, а именно увеличение глубины фокуса фотонной струи при уменьшении продольных размеров устройства.The objective of this utility model is to eliminate these drawbacks, namely, increasing the depth of focus of the photon stream while reducing the longitudinal dimensions of the device.

Указанная задача достигается тем, что в устройстве для формирования фотонной струи, состоящего из источника излучения и диэлектрической частицы с характерным размером, сравнимым с длиной волны падающего излучения, на поверхности диэлектрической частицы, обращенной к падающему волновому фронту, нанесен слой материала, не пропускающего падающее на частицу излучение, при этом поперечные размеры этого материала составляют 0.1-0.8 от максимального поперечного размера частицы.This task is achieved by the fact that in the device for forming a photon stream consisting of a radiation source and a dielectric particle with a characteristic size comparable to the wavelength of the incident radiation, a layer of material is deposited on the surface of the dielectric particle facing the incident wave front that does not allow the incident particle radiation, while the transverse dimensions of this material are 0.1-0.8 of the maximum transverse particle size.

При этом диэлектрическая частица в продольном направлении со стороны, противоположной направлению падения излучения, выполнена усеченной формы.In this case, the dielectric particle in the longitudinal direction from the side opposite to the direction of radiation incidence is made of a truncated shape.

Полезная модель поясняется чертежами.The utility model is illustrated by drawings.

На фиг. 1 показано устройство для формирования фотонной струи с увеличенной глубиной фокуса.In FIG. 1 shows a device for forming a photon stream with an increased focus depth.

На фиг. 2 - показана работа устройств согласно аналога (а) и прототипа (б).In FIG. 2 - shows the operation of devices according to analogue (a) and prototype (b).

На фиг. 3 показаны результаты моделирования (подтвержденные экспериментом) формирования фотонной тераструи с увеличенной глубиной фокуса: верхний рисунок - исходная частица согласно прототипа, в середине - формирование фотонной тераструи с размещенном на входной грани слое, не пропускающим излучение, внизу - формирование фотонной тераструи при частице усеченной формы.In FIG. Figure 3 shows the simulation results (confirmed by experiment) of the formation of a photon terastruy with an increased focus depth: the upper figure is the initial particle according to the prototype, in the middle is the formation of a photon terastruy with a layer that does not transmit radiation placed on the input face, and the bottom is the formation of a photon terastruy with a truncated particle .

На фиг. обозначены: 1 - падающее на частицу излучения от источника излучения, 2 - диэлектрическая слабопоглощающая частица, 3 - слой материала, не пропускающего падающее на частицу излучение, 4 - фотонная струя.In FIG. marked: 1 - incident on the radiation particle from the radiation source, 2 - low-absorbing dielectric particle, 3 - layer of material that does not transmit radiation incident on the particle, 4 - photon stream.

Заявляемое устройство работает следующим образом.The inventive device operates as follows.

Волновой фронт от источника излучения 1 падает на диэлектрическую частицу 2, расположенную по направлению распространения излучения. В результате взаимодействия участков волновых фронтов, интерферирующих внутри материала частицы 2, формируется фотонная струя 4. Поскольку на входной (по отношению к направлению падения излучения) поверхности диэлектрической частицы располагается слой материала, не пропускающего падающее излучение 3, волновой фронт внутри частицы искажается более сильно, по сравнению с прототипом, и в результате конструктивной интерференции формируется область повышенной концентрации поля в виде фотонной струи 4. Поскольку экранирование части падающего на частицу волнового фронта приводит к сдвигу начала струи по направлению, противоположному направлению падения излучения (фиг. 3), частица выполняется усеченной для обеспечения положения начала струи вне материала частицы. Исследования показали, что при экранировании поверхности материала частицы в диапазоне 0.1-0.8 от максимального поперечного размера частицы, обеспечивается увеличенная глубина фокуса фотонной струи в 2 раза по сравнению с известными устройствами. Конкретное значение величины экранирования поверхности частицы определяется в зависимости от назначения устройства и требуемых оптимальных параметров струи.The wave front from the radiation source 1 falls on a dielectric particle 2 located in the direction of radiation propagation. As a result of the interaction of the sections of wave fronts interfering inside the particle 2 material, a photon stream 4 is formed. Since a layer of material is placed on the input (with respect to the direction of radiation incident) surface of the dielectric particle that does not transmit incident radiation 3, the wave front inside the particle is more distorted, compared with the prototype, and as a result of constructive interference, a region of increased field concentration is formed in the form of a photon stream 4. Since the shielding of the part is incident On a wavefront particle, the jet begins to shift in the direction opposite to the direction of radiation incidence (Fig. 3), the particle is truncated to ensure the position of the jet beginning outside the particle material. Studies have shown that when screening the surface of the particle material in the range of 0.1-0.8 from the maximum transverse particle size, an increased focus depth of the photon stream is 2 times higher than with known devices. The specific value of the particle surface shielding value is determined depending on the purpose of the device and the required optimal parameters of the jet.

Исследования также показали, что, например, для частицы кубической формы размером H×H×L, при уменьшении высоты куба L в 0.625 раза (усеченная частица, фиг.3) фотонная струя начинается непосредственно у поверхности кубы, глубина фокуса увеличивается не менее чем в 2 раза при неизменном поперечном разрешении.Studies have also shown that, for example, for a cubic particle of size H × H × L, with a decrease in the height of the cube L by 0.625 times (a truncated particle, Fig. 3), the photon stream starts directly at the surface of the cuba, the focus depth increases by at least 2 times with constant transverse resolution.

Из теории Ми [Хюлст Г. ван де. Рассеяние света малыми частицами // Пер. с англ. Под ред. Т.В. Водопьяновой. - М.: ИИЛ, 1961. - 536 с.] известно, что оптическое поле как внутри, так и вне слабо поглощающей сферы, освещенной световой волной, характеризуется наличием пространственных зон фокусировок, называемых внутренними и внешним фокусами поля. Их появление обусловлено кривизной поверхности сферической частицы, приводящей к соответствующим деформациям падающего на частицу фазового волнового фронта. Сферическая микрочастица, таким образом, выполняет роль рефракционной сферической микролинзы, фокусирующей световое излучение в пределах субволнового объема [Ю. Гейнц, А. Землянов, Е. Панина. Микрочастица в интенсивном световом поле. - Palmarium Academic Publishing (2012), ISBN-13: 978-3-8473-9641-3. - 252 с.]. Взаимодействие аберрированных участков волнового поля внутри диэлектрической частицы носит сложный характер и зависит, в частности, от формы частицы, характеристик ее материала, параметра Ми частицы [Yu-long Ku, Cui-fang Kuang, Xiang Hao, Hai-feng Li, Xu Liu. Parameter optimization for photonic nanojet of dielectric microsphere // Optoelectronics Letters, March 2013, Volume 9, Issue 2, pp 153-156] и т.п.From the theory of Mie [Hulst G. van de. Light scattering by small particles // Per. from English Ed. T.V. Vodopianova. - M .: IIL, 1961. - 536 pp.] It is known that the optical field both inside and outside the weakly absorbing sphere illuminated by the light wave is characterized by the presence of spatial focusing zones, called internal and external field foci. Their appearance is due to the curvature of the surface of a spherical particle, leading to corresponding deformations of the phase wave front incident on the particle. Thus, a spherical microparticle plays the role of a refractive spherical microlens focusing light radiation within a subwave volume [Yu. Heinz, A. Zemlyanov, E. Panina. Microparticle in an intense light field. - Palmarium Academic Publishing (2012), ISBN-13: 978-3-8473-9641-3. - 252 p.]. The interaction of the aberrated sections of the wave field inside the dielectric particle is complex and depends, in particular, on the shape of the particle, the characteristics of its material, the particle’s Mi parameter [Yu-long Ku, Cui-fang Kuang, Xiang Hao, Hai-feng Li, Xu Liu. Parameter optimization for photonic nanojet of dielectric microsphere // Optoelectronics Letters, March 2013, Volume 9, Issue 2, pp 153-156], etc.

При выполнении частицы в виде прямоугольного бруска, в данном устройстве оптимальные размеры диэлектрической частицы, как показали специальные исследования, должны удовлетворять соотношению:When performing a particle in the form of a rectangular bar, in this device the optimal dimensions of the dielectric particle, as shown by special studies, must satisfy the ratio:

где: k - эмпирический коэффициент, равный (0.9-2.2), H - высота прямоугольного бруска, L_y - длина стороны прямоугольного усеченного бруска, λ - длина волны падающего волнового фронта, n/n₀ - относительное значение показателя преломления материала кубоида и окружающей среды.where: k is an empirical coefficient equal to (0.9-2.2), H is the height of the rectangular bar, L _y is the side length of the rectangular truncated bar, λ is the wavelength of the incident wave front, n / n ₀ is the relative value of the refractive index of the cuboid material and the surrounding Wednesday.

Вопрос о фокусировки и формировании фотонной струи диэлектрической частицей с покрытием, не пропускающим падающее излучение (отражающее или поглощающее покрытие), на ее поверхности, противоположной направлению падения излучения на частицу, является не тривиальным и не очевидным.The question of focusing and forming a photon jet by a dielectric particle with a coating that does not transmit incident radiation (reflecting or absorbing coating) on its surface opposite to the direction of radiation incident on the particle is neither trivial nor obvious.

Устройства по формированию фотонных струй с увеличенной глубиной фокуса в виде диэлектрической частицы с частично экранированной поверхностью, обращенной к направлению падения излучения, в мире на сегодня не известны. Соответственно, проведенный сопоставительный анализ предложенного технического решения с выявленными аналогами уровня техники, из которого данная заявка для специалиста в данной области знаний явным образом не следует, показал, что оно не известно и не очевидно.Devices for the formation of photonic jets with an increased focus depth in the form of a dielectric particle with a partially shielded surface facing the direction of radiation incidence are not known in the world today. Accordingly, a comparative analysis of the proposed technical solution with identified analogues of the prior art, from which this application does not explicitly follow for a specialist in this field of knowledge, showed that it is not known and not obvious.

С учетом вышеизложенного можно сделать вывод о соответствии настоящей заявки критериям патентоспособности.Based on the foregoing, we can conclude that this application meets the criteria of patentability.

Заявляемое устройство, кроме того, обеспечивает актуальное расширение приборного арсенала современных фокусирующих систем с субволновыми размерами, формирующих фотонные струи.The inventive device, in addition, provides an actual extension of the instrument arsenal of modern focusing systems with sub-wave sizes that form photonic jets.

Техническим результатом является создание устройства для фокусировки фотонной струи с увеличенной глубиной фокуса в 2 раза при снижении продольных габаритов устройства.The technical result is the creation of a device for focusing a photon stream with an increased focus depth of 2 times with a decrease in the longitudinal dimensions of the device.

Claims

1. Device for forming a photon jet with an increased focus depth, consisting of a radiation source and a dielectric particle with a characteristic size comparable to the wavelength of incident radiation, characterized in that a layer of material is deposited on the surface of the dielectric particle facing the incident wave front, not transmitting radiation incident on the particle, while the transverse dimensions of this material are 0.1-0.8 of the maximum transverse particle size.

2. The device according to claim 1, characterized in that the dielectric particle in the longitudinal direction from the side opposite to the direction of radiation incidence is made of a truncated shape.