RU166253U1 - Устройство для регистрации субволновых частиц - Google Patents

Abstract

Устройство для регистрации субволновых частиц, состоящее из последовательно расположенных источника излучения преимущественно плоской волны, устройства субволновой фокусировки излучения, регистрируемой субволновой частицы, расположенной в области фокуса устройства субволновой фокусировки излучения и устройства регистрации рассеянного поля регистрируемой частицы, отличающееся тем, что устройство субволновой фокусировки излучения выполнено в виде фотонного кристалла, имеющего прямоугольную входную и выходную апертуры, при этом вдоль оптической оси фотонного кристалла выполнено субволновое отверстие с длиной не более длины фотонного кристалла и доходящей до его фокусной плоскости, а градиент эффективного показателя преломления фотонного кристалла в поперечном направлении выполнен спадающим к его краям.

Description

Полезная модель относится к области оптической диагностики физических сред и может быть использовано в приборах, предназначенных для измерения микро- и наночастиц, в частности, их размеров.

Одно из возможных конкретных направлений промышленного применения данной полезной модели - обеспечение широкого круга задач, связанных с технологическим контролем параметров различных порошков (в том числе нанопорошков) в процессе их производства, проведение экспресс-анализа порошков, используемых для изготовления прессованных материалов, измерение и контроль параметров растворов, содержащих взвешенные объекты, в том числе обширной номенклатуры биологических и фармацевтических растворов.

Известны устройства измерения параметров микрочастиц оптикоэлектронными методами, описанные, например, в [С.П. Беляев, Н.К. Никифорова, В.В. Смирнов, Г.И. Щелчков. Оптико-электронные методы изучения аэрозолей - М.: Энергоиздат, 1981. - 232 с.]. Так оптические счетчики частиц состоят из источника оптического излучения, приемника излучения и системы линз, при этом освещающая линза фокусирует излучение в измерительный объем, а собирающая линза фокусирует излучение на фотоприемник из области фокусировки освещающей линзы [С.П. Беляев, Н.К. Никифорова, В.В. Смирнов, Г.И. Щелчков. Оптико-электронные методы изучения аэрозолей - М.: Энергоиздат, 1981, с. 37, 65, 69, 84, 116]. При этом в качестве источника излучения могут применяться источники белого света (например, датчик CAES, нефелометр «Синклер-Феникс») или лазерные источники (лазерный счетчик типа FSSP).

Конструкция освещающей и собирающей линзовых систем в значительной степени определяют чувствительность, разрешающую способность и универсальность фотоэлектрического счетчика.

Известно устройство для измерения размеров микро- и нано- частиц по патенту WO 2014065694 А1, состоящее из последовательно расположенных источника излучения преимущественно плоской волны, устройства фокусировки излучения, выполненного в виде линзы, регистрируемой субволновой частицы, расположенной в области фокуса устройства фокусировки излучения и устройства регистрации рассеянного поля регистрируемой частицы.

Аналогичное устройство описано в [патент РФ 2370752, G01N 15/02]. Точность определения размеров микро- и нано-частицы в известных устройствах определяется, в том числе, размером области фокусировки фокусирующего устройства, выполненного в виде линзы. Однако в силу дифракционной природы линза не может сфокусировать излучение в область пространства, с поперечным размером менее дифракционного предела.

Преодолеть дифракционный предел в оптике можно различными способами, например, с помощью эффекта фотонной наноструи (например, см. A.Heifetz et al. Experimental confirmation of backscattering enhancement induced by a photonic jet // Appl. Phys. Lett, 89, 221118 (2006)). Поперечный размер фотонной наноструи составляет 1/3 … 1/4 длины волны излучения, что меньше дифракционного предела классической линзы.

Известно устройство для регистрации субволновых частиц и принятое в качестве прототипа, состоящее из последовательно расположенных источника излучения преимущественно плоской волны, устройства субволновой фокусировки излучения, выполненного в виде диэлектрической частицы сферической или цилиндрической формы, регистрируемой субволновой частицы, расположенной в области фокуса устройства субволновой фокусировки излучения и устройства регистрации рассеянного поля регистрируемой частицы.

Такое устройство описано в ряде работ, например, Li Zhao, and Chong Kim Ong. Direct Observation of Photonic Jets and Corresponding Backscattering Enhancement at Microwave frequencies //

https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/0903/0903.1693.pdf; Zhigang Chen, Allen Taflove, and Vadim Backman. Photonic nanojet enhancement of backscattering of light by nanoparticles: a potential novel visible-light ultramicroscopy technique // Optics Express, Vol. 12, Issue 7, pp. 1214-1220 (2004); Xu Li, Zhigang Chen, Allen Taflove, Vadim Backman. Optical analysis of nanoparticles via enhanced backscattering facilitated by 3-D photonic nanojets // Optics Express, v. 13, No. 2, p. 526(2005).

Принципиальным недостатком известного устройства является невозможность сфокусировать излучение в область пространства с поперечным размером менее 1/3 … 1/4 длины волны излучения, что ограничивает точность измерения размеров частицы соответствующей величиной.

Задача настоящей полезной модели - уменьшение поперечного размера области фокусировки устройства для регистрации субволновых частиц.

Технический результат от использования этой полезной модели - увеличение точности определения размеров наночастиц и увеличение диапазона измеряемых размеров вплоть до долей нанометра.

Задача достигается за счет того, что в устройстве для регистрации субволновых частиц, состоящем из последовательно расположенных источника излучения преимущественно плоской волны, устройства субволновой фокусировки излучения, регистрируемой субволновой частицы, расположенной в области фокуса устройства субволновой фокусировки излучения и устройства регистрации рассеянного поля регистрируемой частицы, новым является то, что устройство субволновой фокусировки излучения выполнено в виде фотонного кристалла, имеющего прямоугольную входную и выходную апертуры, при этом вдоль оптической оси фотонного кристалла выполнено субволновое отверстие с длиной не более длины фотонного кристалла и доходящей до его фокусной плоскости, а градиент эффективного показателя преломления фотонного кристалла в поперечном направлении выполнен спадающим к его краям.

Для получения наиболее острой фокусировки следует фокусировать свет вблизи раздела двух сред, контраст относительного показателя преломления которых (отношение показателя преломления материала оптического элемента к показателю преломления окружающей среды) более 1. Вблизи поверхности раздела сред возбуждаются поверхностные световые волны, конструктивная интерференция которых может приводить к уменьшению фокусного пятна значительно ниже дифракционного предела.

Такие оптические элементы (линзы) могут быть созданы с помощью аппроксимации градиентного показателя преломления дифракционной субволновой микроструктурой, например, с помощью фотонных кристаллов [Qingyi Zhu, Lei Jin, and Yongqi Fu. Graded index photonic crystals: A review // Ann. Phys. (Berlin) 527, No. 3-4, 205-218 (2015) /DOI 10.1002/andp. 201400195 (http://onlinelibrary. wiley. com/doi/10.1002/andp.201400195/pdf)]

В случае наличия отверстия в виде щели ТМ-поляризованная волна может распространяться в ней как в волноводе, а фокусировка света градиентной линзой сосредоточит энергию поля внутри щели в фокусной плоскости. Ширина фокусного пятна, сформированного на границе линзы, будет близка к ширине щели, что позволит создавать планарные линзы со сколь угодно малым поперечным размером области фокусировки (фокуса). Чем уже щель, тем уже фокус, но и тем меньше интенсивность света и количество световой энергии в фокусе.

Качественно эффект локализации поля можно пояснить следующим образом. Рассмотрим тонкий электропроводный лист, установленный поперек прямоугольного волновода с размерами а и b. Пусть в нем параллельно его широкой стороне выполнено отверстие в виде щели с размерами шириной b' и высотой а'. Тогда если выполняется соотношение

то при размере щели b' стремящейся к 0, значение длины волны, определенной из указанного соотношения, является конечной величиной. Это означает, что даже очень узкая щель будет прозрачной на определенной длине волны.

Длина щели Н (вдоль оси распространения излучения) может быть как равна длине линзы, так и быть меньше ее. Такое устройство субволновой фокусировки излучения (микролинза) сохраняет свою работоспособность, если щель будет доходить до выходной апертуры линзы, а ее ширина будет составлять десятые доли длины волны света в материале, из которого изготовлена микролинза.

Устройство субволновой фокусировки излучения с градиентным показателем преломления с субволновым на оси симметрии отверстием может быть создано различными способами. Например, это может быть как микролинза с настоящим градиентным распределением показателя преломления (например, созданная комбинацией напыления различных материалов), так и с кусочно-постоянным распределением показателя преломления, например, имеющая вид бинарной дифракционной решетки или фотонного кристалла (с квадратными или круглыми отверстиями), средний показатель преломления которого повторяет градиентный аналог. Изготовить микролинзу можно с помощью технологии травления кремния после нанесения на него маскирующего слоя резиста с заданным микрорельефом (электронная литография).

На Фиг. 1 показана схема устройства для регистрации субволновых частиц: 1 - источник излучения, 2 - устройство субволновой фокусировки излучения, 3 - регистрируемая субволновая частица, расположенная в фокусе 4 устройства субволновой фокусировки излучения, 5 - устройство регистрации рассеянного поля регистрируемой частицы 3.

На Фиг. 2 приведен внешний вид устройства субволновой фокусировки излучения в виде градиентного фотонного кристалла с узкой щелью.

На Фиг. 3 показано распределение интенсивности поля для устройства субволновой фокусировки излучения в виде градиентного фотонного кристалла: а) градиентный фотонный кристалл с отверстием в виде щели, b) -градиентный фотонный кристалл без щели, с) узкая щель без фотонного кристалла.

Устройство работает следующим образом. Источник электромагнитного излучения 1 формирует волну с плоским фронтом, которая падает на устройство субволновой фокусировки излучения 2. Устройство 2 формирует «фотонную струю» 4 с поперечными размерами существенно менее дифракционного предела. Устройство субволновой фокусировки излучения 2 может быть выполнено в виде градиентного фотонного кристалла с отверстием в виде узкой щели с длиной не более устройства фокусировки 2 и доходящей до его фокусной плоскости, широкая сторона которой расположена перпендикулярно падающему излучению, а градиент эффективного показателя преломления устройства фокусировки 2 выполненного в виде фотонного кристалла в поперечном направлении выполнен спадающим к его краям.

При попадании субволновой частицы 3 в область фокусировки излучения 4, происходит взаимодействие сфокусированного электромагнитного поля 4 с частицей 3 и рассеянное поле частицей 3 регистрируется устройством 5. по параметрам рассеянного поля судят о характеристикам частицы 3.

Из приведенного на Фиг. 3 примера видно, что устройство субволновой фокусировки излучения в виде градиентного фотонного кристалла с отверстием в виде щели формирует узкое фокусное пятно с заданной шириной (при прочих равных условиях) в отличие от простых градиентных и известных фокусирующих устройств. Полученное пятно с шириной около 1/75 длины волны не может быть получено с помощью известных устройств, выполненных согласно аналогов и прототипа.

Эксперименты на основе строго решения уравнений Максвелла показывают, что подбирая длину щели Н, можно значительно увеличить интенсивность (мощность) в фокусе линзы и даже создать микролинзу, у которой одновременно и ширина фокусного пятна меньше, и эффективность фокусировки света выше аналогичной микролинзы без щели.

Claims (1)

1. Устройство для регистрации субволновых частиц, состоящее из последовательно расположенных источника излучения преимущественно плоской волны, устройства субволновой фокусировки излучения, регистрируемой субволновой частицы, расположенной в области фокуса устройства субволновой фокусировки излучения и устройства регистрации рассеянного поля регистрируемой частицы, отличающееся тем, что устройство субволновой фокусировки излучения выполнено в виде фотонного кристалла, имеющего прямоугольную входную и выходную апертуры, при этом вдоль оптической оси фотонного кристалла выполнено субволновое отверстие с длиной не более длины фотонного кристалла и доходящей до его фокусной плоскости, а градиент эффективного показателя преломления фотонного кристалла в поперечном направлении выполнен спадающим к его краям.

   

Images