RU164738U1 - Устройство для фокусировки излучения метакубоидной плоской линзой - Google Patents
Устройство для фокусировки излучения метакубоидной плоской линзой Download PDFInfo
- Publication number
- RU164738U1 RU164738U1 RU2015144480/28U RU2015144480U RU164738U1 RU 164738 U1 RU164738 U1 RU 164738U1 RU 2015144480/28 U RU2015144480/28 U RU 2015144480/28U RU 2015144480 U RU2015144480 U RU 2015144480U RU 164738 U1 RU164738 U1 RU 164738U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- radiation
- focusing
- lens
- refractive index
- radiation source
- Prior art date
Links
Images
Abstract
1. Устройство для фокусировки излучения плоской линзой, фокусирующей излучение от источника излучения и имеющей плоские входную и выходную апертуры, отличающееся тем, что линза выполнена в форме кубоида из метаматериала с эффективным относительным показателем преломления (по отношению к показателю преломления окружающей среды), изменяющегося 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 линзу, k - эмпирический коэффициент k=0.98…1.2.2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве источника излучения используется источник с линейно поляризованным излучением.3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве источника излучения используется источник излучения с круговой поляризацией.
Description
Полезная модель относится к устройствам для фокусировки излучения, выполненным из метаматериалов и предназначенных для фокусировки когерентного излучения в т.н. «фотонную струю». Данное устройство может быть использовано в системах передачи энергии миллиметрового и терагерцового диапазонов, изображающих планарных устройствах, устройствах интегральной квазиоптики, для соединения оптических волноводов, для ввода излучения в волноводы и т.д.
Для планарной (двумерной) фокусировки света используются различные типы линз. Самым простым вариантом являются обычные сферические или асферические линзы. Например, в патенте США US 7408129 В2 от 5.08.2008, МПК B23K 26/06, G02B 7/02 используются скрещенные цилиндрические линзы для фокусировки излучения от источника излучения. Излучение от источника вначале фокусируется одной линзой, затем сходящийся пучок фокусируется второй линзой.
Однако такое устройство для фокусировки излучения сложно в изготовлении, имеет значительные габариты по отношению к длине волны используемого излучения, сложна их взаимная юстировка, кроме того, с помощью линз из вышеуказанного источника невозможно получить минимальное фокусное пятно в связи с низкой числовой апертурой и невозможно формирование «фотонной струи». Фотонная струя - это область фокусировки излучения с субволновыми размерами вблизи диэлектрической частицы. Фотонная струя возникает в области теневой поверхности диэлектрических микросферических частиц - в т.н. ближней зоне дифракции - и характеризуется сильной пространственной локализацией и высокой интенсивностью оптического поля в области фокусировки [A. Heifetzetal. Photonicnanojets // J ComputTheorNanosci. 2009 September 1; 6(9): 1979-1992. doi:10.1166/jctn.2009.1254].
Обычно для фокусировки когерентного излучения также используются дифракционные оптические элементы [O.V. Minin, I.V. Minin. Diffractional optics of millimetre waves: IoP Publishing Ltd, Bristol and Philadelphia, 396 p.], которые также имеют низкую числовую апертуру, так как фокусная плоскость находится за линзой в свободном пространстве.
Известна плоская двумерная линза, выполненная из метаматериала, представляющего собой прямоугольную матрицу отверстий с периодом а поперек и вдоль оптической оси в материале линзы, описанная в статье «Фотонно-кристаллическая линза Микаэляна»[Котляр В.В., Триандафилов Я.Р. Компьютерная оптика. - 2007. - Т. 31. - №3. - с. 27-31]. В такой линзе радиусы отверстий рассчитывались по формуле:
где х - поперечная координата линзы, L - длина линзы вдоль оптической оси z, а - период решетки.
Для достижения расчетного среднего показателя преломления в однородном материале линзы создается прямоугольная матрица отверстий размерностью M×N, где М - число отверстий по поперечной оси линзы и N - число отверстий по оптической оси линзы. Центры всех отверстий лежат в узлах прямоугольной сетки размером M×N. Расстояние между центрами d отверстий постоянное и меньше длины волны в среде d<λ/n, где λ - длина волны в вакууме, n - показатель преломления материала линзы.
Такое устройство для фокусировки излучения имеет следующие недостатки: сложность изготовления (изменение диаметров отверстий в зависимости от расстояния от
оси симметрии линзы), значительные габариты, превышающие длину волны используемого излучения, и невозможно формирование «фотонной струи», т.е. получения фокального пятна, полуширина которого на полувысоте меньше дифракционного предела.
Известно устройство фокусировки излучения, выполненное в виде плоской линзе из метаматериала и описанное в статье [«Фотонно-кристаллическая линза для сопряжения двух планарных волноводов» / Котляр В.В., Триандафилов Я.Р., Ковалев А.А., Котляр М.И., Волков А.В., Володкин Б.О., Сойфер В.А., О′Фелон Лим, Краусс Томас // Компьютерная оптика, 2008. - т. 32. - №.4. - с. 326-336]. С помощью моделирования показано, что такая фотонно-кристаллическая линза фокусирует свет в фокусное пятно вблизи своей поверхности с диаметром по полуспаду интенсивности немного меньше дифракционного предела.
Недостаток известной градиентной линзы заключается в следующем. Линза сложна в изготовлении (изменение диаметров отверстий в зависимости от расстояния от оси симметрии линзы), значительны габариты линзы, превышающие длину волны используемого излучения, и невозможно формирование «фотонной струи».
Наиболее близок к данной полезной модели прототип, патент РФ №2473155, МПК Н01Р 3/20, планарная (двумерная) фотонно-кристаллическая микролинза. В данном патенте используется градиентная линза, фокусирующая излучение от источника излучения и выполненная из метаматериала и имеющая плоские прямоугольные входную и выходную апертуры, а метаматериал представляет собой диэлектрик с системой отверстий, диаметр которых зависит от положения отверстий относительно оптической оси линзы.
Такое устройство для фокусировки излучения имеет следующие недостатки: сложность изготовления (изменение диаметров отверстий в зависимости от расстояния от оси симметрии линзы), значительные габариты, многократно превышающие длину волны используемого излучения, и невозможно формирование «фотонной струи».
Кроме того, известная линза не позволяет управлять характеристиками фотонной струи с использовнием эффекта двулучепреломления.
Можно упростить устройство фокусировки излучения, уменьшить габариты линзы с возможностью формирования «фотонной струи». Данная полезная модель упрощает устройство, уменьшает габариты и улучшает фокусирующие свойства плоской линзы.
Задача данной полезной модели разработать устройство для фокусировки излучения для фокусировки электромагнитной волны и формирования «фотонной струи» вблизи ее границы с возможностью простого практического изготовления и минимальными габаритами.
Кроме того, такое устройство будет обладать свойствами двулучепреломления для обеспечения селекции и/или управления сфокусированным излучением в зависимости от поляризации падающего излучения.
Техническим результатом является формирование «фотонной струи» устройством для фокусировки излучения, выполненного из метаматериалов с возможностью эффекта двулучепреломления.
Поставленная задача достигается тем, что устройство для фокусировки излучения, фокусирующее излучение от источника излучения и имеющее плоские входную и выходную апертуры, согласно полезной модели устройство выполнено в форме кубоида из метаматериала с эффективным относительным показателем преломления (по отношению к показателю преломления окружающей среды), изменяющегося 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 линзу, k - эмпирический коэффициент k=0.98…1.2.
Кроме того в качестве источника излучения используется источник с линейно поляризованным излучением.
Кроме того в качестве источника излучения используется источник излучения с круговой поляризацией.
Полезная модель поясняется чертежами.
Фиг. 1 - Устройство для фокусировки излучения.
Фиг. 2 - распределение интенсивности электромагнитного поля вдоль оптической оси в области формирования «фотонной» струи и поперек оптической оси.
Фиг. 3 - распределение интенсивности электромагнитного поля вдоль оптической оси в области формирования «фотонной» струи для волн поляризации ТЕ и ТМ соответственно.
Характерной чертой диэлектрических частиц, формирующих фотонные струи от падающего на них электромагнитного излучения, является то, что они являются одновременно как фокусирующими устройствами, так и частотно-селективными. То есть из широкополосного электромагнитного излучения, падающего на частицу, последними «вырезается» определенная частотная полоса, зависящая от свойств диэлектрической частицы.
Плоская волна от источника излучения, падая на кубическую частицу, проникает внутрь метаматериала. Поскольку излучение внутри кубоида в окрестности его края распространяется с большей фазовой скоростью, чем излучение в центре кубоида, возникающий набег фазы между различными участками падающей волны приводит к деформациям волнового фронта излучения, который при определенных параметрах кубической частицы приобретает положительную кривизну (излучение направляется внутрь кубоида от края к центру), что соответствует условию фокусировки излучения.
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 1.76 происходит формирование «фотонной струи» внутри тела линзы. При эффективном относительном показателе преломления менее 1.2 область формирования «фотонной струи» удаляется от плоской выходной апертуры линзы и происходит ее дефокусировка.
Минимальный размер устройства для фокусировки излучения в форме кубоида порядка длины волны используемого излучения, поэтому размер апертуры плоской линзы равен примерно длине волны падающего волнового фронта. Было обнаружено, что устройства для фокусировки излучения сохраняет свои фокусирующие свойства на гармониках излучения.
Фокусирующие свойства устройства для фокусировки излучения зависят от типа поляризации падающей электромагнитной волны с плоским фронтом.
Из уравнений Максвелла для материальной среды следует, что фазовая скорость света в среде обратно пропорциональна величине диэлектрической проницаемости е среды. В некоторых материалах диэлектрическая проницаемость - тензорная величина - зависит от направления электрического вектора, то есть от состояния поляризации волны, поэтому и фазовая скорость волны будет зависеть от ее поляризации. Поскольку в варианте выполнения линзы в виде, например, стержней малого диаметра из материала с высоким показателем преломления (Фиг. 3) эффективная диэлектрическая проницаемость будет разной при ориентации вектора электрического поля вдоль и поперек стержней. Отсюда возникает эффект двулучепреломления. Это означает, что в зависимости от конкретного типа метаматериала, из которого изготовлено устройство для фокусировки излучения, условия фокусировки (трехмерный размер области фокусировки) будут зависеть от вида поляризации падающего волнового фронта. Этот эффект проиллюстрирован на Фиг. 3.
В качестве диэлектрика с заданным эффективным коэффициентом преломления, могут использоваться различные метаматериалы, хорошо известные из технической литературы. Например, диэлектрик с отверстиями или система диэлектрических
стержней, как в одномерном, двухмерном, так и в трехмерном вариантах [MininO. V., Mininl. V. Diffractiveopticsofmillimeterwaves, IOPPublisher, Boston-London, 2004 (396p); MeriakriV. V., NikitinI. P. Man-madedielectricwithdispersioninthemillimeterwavelengthband // Quasiopticaldevicesinmillimeterandsub-millimeterwavelengthranges. In: Proceedings of IRE, Har′kov, 65-70 (1989); Petosa, A., A. Ittipiboon, and S. Thirakoune, "Perforated dielectric resonator antennas, "Electronics Letters, Vol. 38, No. 24, 1493-1495 (2002); Zhang, Y. and A.A. Kishk, "Aalysis of dielectric resonator antenna arrays with supporting perforated rods, "2nd European Conf. on Antennas and Propag., EuCAP 2007, 1-5 (2007); N. Fabre, S. Fasquel, C. Legrand, X. Melique, M. Muller, M. Francois, O. Vanbeien, and D. Lippens. Towards focusing using photonic crystal flat lens // Opto-Electron. Rev., 14, no. 3, 225-232 (2006)], [Фотонныекристаллы. http://fdtd.kintechlab.com/ru/pc].
Поясним суть предлагаемого технического решения на двух характерных примерах.
Фокусирующие свойства устройства для фокусировки излучения были промоделированы для искусственного диэлектрика (метаматериал) с эффективным показателем преломления 1.46, метаматериал представлял собой диэлектрик с показателем преломления 3 и отверстиями диаметром d≈0,1λ, и размером треугольной элементарной решетка порядка 0,1445λ. Количество отверстий на длину ребра плоской линзы равно 7 (Фиг. 2).
Устройство для фокусировки излучения сконструировано на длину излучения λ=3 мм, толщина линзы равна апертуре и равна длине волны λ.
Фокусирующие свойства устройства для фокусировки излучения были также промоделированы для искусственного диэлектрика (метаматериала) с эффективным показателем преломления 1.46, метаматериал предствалял собой систему диэлектрических стержней с показателем преломления 9, расположенных в воздухе и диаметром стержней d≈0,95λ, и периодом квадратной ячейки 0.141 λ. Количество отверстий на длину ребра плоской линзы равно 10 (Фиг. 3).
Устройство для фокусировки излучения сконструировано на длину излучения λ=3 мм, толщина устройства равна апертуре и равна длине волны λ.
Результаты моделирования фокусирующих свойств двух типов устройств для фокусировки излучения методом FDTD показали, что:
1) Диаметр фокального пятна на полувысоте (full width half maximum - FWHM): FWHM = 0.67 λ для линзы типа (Фиг. 2) и FWHM = 0.47 λ для ТМ волны и FWHM = 0.51 λ для ТЕ волны для линзы типа (Фиг. 3).
2) Интенсивность сигнала в фокусе (эффективность фокусировки) возрастает примерно на 12% и уровень боковых лепестков рассеяния уменьшается на 15% для линзы второго типа, что улучшает качество фокусировки (изображения).
3) Для устройства для фокусировки излучения второго типа наблюдается более «острая» фокусировка падающего излучения вдоль оптической оси, что свидетельствует о лучшей концентрации энергии в фокусе и увеличению эффективности фокусировки.
4) Для устройства для фокусировки излучения на основе диэлектрических стержней (Фиг. 3) наблюдается эффект двулучепреломления (длина фотонной струи и диаметр ее фокального пятна разный для ТМ и ТЕ волн).
Устройство для фокусировки излучения в виде кубической частицы из метаматериала из литературы, неизвестна и ее фокусирующие свойства не очевидны.
Claims (3)
1. Устройство для фокусировки излучения плоской линзой, фокусирующей излучение от источника излучения и имеющей плоские входную и выходную апертуры, отличающееся тем, что линза выполнена в форме кубоида из метаматериала с эффективным относительным показателем преломления (по отношению к показателю преломления окружающей среды), изменяющегося 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 линзу, k - эмпирический коэффициент k=0.98…1.2.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве источника излучения используется источник с линейно поляризованным излучением.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015144480/28U RU164738U1 (ru) | 2015-10-15 | 2015-10-15 | Устройство для фокусировки излучения метакубоидной плоской линзой |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015144480/28U RU164738U1 (ru) | 2015-10-15 | 2015-10-15 | Устройство для фокусировки излучения метакубоидной плоской линзой |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU164738U1 true RU164738U1 (ru) | 2016-09-10 |
Family
ID=56893409
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2015144480/28U RU164738U1 (ru) | 2015-10-15 | 2015-10-15 | Устройство для фокусировки излучения метакубоидной плоской линзой |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU164738U1 (ru) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU176266U1 (ru) * | 2017-06-07 | 2018-01-15 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" (СГУГиТ) | Устройство для фокусировки излучения с субдифракционным разрешением |
RU2666965C2 (ru) * | 2016-12-19 | 2018-09-13 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Диэлектрический метаматериал с тороидным откликом |
RU204699U1 (ru) * | 2020-06-01 | 2021-06-07 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" (СГУГиТ) | СВЧ (КВЧ) электрически управляемое устройство фокусировки излучения с субдифракционным размером |
RU2788342C1 (ru) * | 2022-04-08 | 2023-01-17 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" | Устройство для формирования фотонного крюка |
-
2015
- 2015-10-15 RU RU2015144480/28U patent/RU164738U1/ru not_active IP Right Cessation
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2666965C2 (ru) * | 2016-12-19 | 2018-09-13 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Диэлектрический метаматериал с тороидным откликом |
RU176266U1 (ru) * | 2017-06-07 | 2018-01-15 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" (СГУГиТ) | Устройство для фокусировки излучения с субдифракционным разрешением |
RU204699U1 (ru) * | 2020-06-01 | 2021-06-07 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" (СГУГиТ) | СВЧ (КВЧ) электрически управляемое устройство фокусировки излучения с субдифракционным размером |
RU2788342C1 (ru) * | 2022-04-08 | 2023-01-17 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" | Устройство для формирования фотонного крюка |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US8958141B1 (en) | Ultra-broadband, plasmonic, high-refractive index materials, UBHRI-GRIN-lenses-and other optical components | |
RU164738U1 (ru) | Устройство для фокусировки излучения метакубоидной плоской линзой | |
US20090086322A1 (en) | Photonic Crystal Devices Using Negative Refraction | |
CN113272918A (zh) | 用于使用投射光控制粒子的系统和方法 | |
Abbaszadeh et al. | A compact polarization insensitive all-dielectric metasurface lens for Gaussian to tophat beam shaping in sub-terahertz regime | |
Minin et al. | Subwavelength diffractive photonic crystal lens | |
RU163674U1 (ru) | Устройство канализации и субволновой фокусировки электромагнитных волн | |
Lin et al. | Design and numerical analyses of ultrathin plasmonic lens for subwavelength focusing by phase discontinuities of nanoantenna arrays | |
US8729511B2 (en) | Electromagnetic wave beam splitter | |
Hashemi et al. | Amplitude modulation technique for designing metalenses with apodized and enhanced resolution focal spots | |
Arslanagic et al. | Excitation of an electrically small metamaterial‐coated cylinder by an arbitrarily located line source | |
CN115542432A (zh) | 一种金属-电介质内嵌型超表面及其制备方法 | |
Shahcheraghi et al. | Design of a pyramidal horn antenna with low E-plane sidelobes using transformation optics | |
Mendis et al. | Artificial dielectrics: ordinary metallic waveguides mimic extraordinary dielectric media | |
Bulgakov et al. | Q-factor optimization in dielectric oligomers | |
Biswas et al. | Additively manufactured Luneburg lens based conformal beamformer | |
RU191638U1 (ru) | Устройство для формирования фотонной струи | |
Elwi et al. | Fresnel lenses based on nano shell-silver coated silica array for solar cells applications | |
RU157405U1 (ru) | Устройство для измерения показателя преломления диэлектриков | |
Tanasković et al. | Super unit cells in aperture-based metamaterials | |
RU176266U1 (ru) | Устройство для фокусировки излучения с субдифракционным разрешением | |
Vier et al. | Three-dimensional double-negative metamaterials resonating at 13.5 GHz | |
Bozorgi et al. | Duality of photonic crystal radiative structures and antenna arrays | |
RU2809980C1 (ru) | Способ и устройство формирования наклонной фотонной струи, формируемой мезоразмерной частицей | |
Aghanejad et al. | A high-gain lens antenna based on transformation optics |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM9K | Utility model has become invalid (non-payment of fees) |
Effective date: 20201016 |