RU176266U1

RU176266U1 - Устройство для фокусировки излучения с субдифракционным разрешением

Info

Publication number: RU176266U1
Application number: RU2017120161U
Authority: RU
Inventors: Игорь Владиленович Минин; Олег Владиленович Минин
Priority date: 2017-06-07
Filing date: 2017-06-07
Publication date: 2018-01-15

Abstract

Полезная модель относится к фокусировке когерентного оптического, террагерцового и сверхвысокочастотного излучения для получения фокусного пятна с заданной шириной меньше дифракционного предела в 3D случае и может быть использована в изображающих устройствах, устройствах интегральной оптики, для соединения оптических волноводов, для ввода излучения в фотонно-кристаллические волноводы, в системах видения и дефектоскопии, в микроскопах, для фокусировки электромагнитного излучения в локальную область с субдифракционными размерами. Заявленное устройство для фокусировки излучения с субдифракционным разрешением выполнено в форме куба с длиной каждого ребра куба L≈kλN, N=1, 2, 3 …, где λ- длина волны излучения, освещающего куб, k - эмпирический коэффициент k=0,98…1,2. Причем куб выполнен из материала с эффективным относительным показателем преломления, по отношению к показателю преломления окружающей среды и лежащего в диапазоне от 1,9 до 2,1. Вдоль оси симметрии куба, проходящей через центр противолежащих граней и параллельно падающему излучению, с обратной стороны куба по отношению к падающему излучению выполнено отверстие, при этом длина отверстия меньше или равна длине ребра куба, а характерный поперечный размер отверстия не превышает 0,25 λ. Поперечное сечение отверстия имеет форму квадрата или форму круга. Технический результат - обеспечение фокусировки когерентного электромагнитного излучения в пятно шириной менее дифракционного предела, менее 0,25λ. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Description

Полезная модель относится к фокусировке когерентного оптического, террагерцового и сверхвысокочастотного излучения для получения фокусного пятна с заданной шириной меньше дифракционного предела в 3D случае. Данное устройство для фокусировки излучения с субдифракционным разрешением может быть использовано в изображающих устройствах, устройствах интегральной оптики, для соединения оптических волноводов, для ввода излучения в фотонно-кристаллические волноводы, в системах видения и дефектоскопии, в микроскопах, для фокусировки электромагнитного излучения в локальную область с субдифракционными размерами.

Для фокусировки когерентного излучения используются различные типы линз. Самым простым вариантом являются обычные сферические или асферические линзы.

Другой вариант планарной линзы для фокусировки излучения описан в работе Graded index photonic crystals / H. Kurt, D.S. Citrin / Optics Express, 2007. - V. 15. - P. 1240-1252. В этой работе применена фотонно-кристаллическая микролинза для фокусировки света, аналог градиентной линзы. Фотонный кристалл выполнен с помощью создания в материале с показателем преломления n=3,47 круглых отверстий, диаметр которых варьировался для получения среднего показателя преломления.

Недостаток такой линзы заключается в недостаточно острой фокусировке когерентного излучения и сложности устройства.

Авторами получено значение ширины фокусного пятна по полуспаду интенсивности (FWHM) около 0,5λ в среде с показателем преломления n=3,47. С помощью такой линзы невозможно получить фокусное пятно с шириной, намного меньшей дифракционного предела.

Известно, что фундаментальный рэлеевский критерий разрешения оптических систем заключается в том, что минимальный размер различимого объекта несколько меньше длины волны используемого излучения и принципиально ограничен дифракцией этого излучения [Борн М., Вольф Э. Основы оптики. - М.: Мир, 1978]. Невозможность сфокусировать свет в свободном пространстве в пятно с размерами меньше некоторого дифракционного предела следует и из соотношения типа соотношения неопределенностей Гейзенберга [Minin I.V., Minin O.V. Experimental verification 3D subwavelength resolution beyond the diffraction limit with zone plate in millimeter wave // Microwave and Optical Technology Letters, Vol. 56, No. 10, October 2014, 2436-2439].

Под преодолением дифракционного предела понимается фокусировка излучения в пятно с размерами меньше, чем у пятна Эйри [Борн М., Вольф Э. Основы оптики. - М.: Мир, 1978].

Для получения наиболее острой фокусировки следует фокусировать когерентное излучение вблизи раздела двух сред, например, материал фокусирующего устройства с показателем преломления n>1 и воздух с показателем преломления 1. Вблизи поверхности раздела сред возбуждаются поверхностные электромагнитные волны, конструктивная интерференция которых может приводить к уменьшению фокусного пятна ниже дифракционного предела.

Это возможно потому, что поверхностные волны имеют проекцию волнового вектора k_x на поперечную координату x большую, чем волновое число в среде: k_x>k₀n, где k₀=2π/λ - волновое число в вакууме.

Наилучшими фокусирующими свойствами обладают градиентные линзы. В частности, планарная микролинза, показатель преломления которой описывается гиперболическим секансом:

,

где H - длина линзы, n₀ - максимальный показатель преломления на оптической оси, x - поперечная координата [Микаэлян А.Л. Применение свойств среды для фокусирования волн // Доклады академии наук СССР. - 1951. - Вып. 81. - С. 569-571]. Такие линзы могут быть созданы с помощью аппроксимации градиентного показателя преломления дифракционной субволновой микроструктурой, например, с помощью фотонных кристаллов.

Однако ширина фокусного пятна в данной 2D линзе близка к 0,5 длине волны когерентного излучения и линза сложна в изготовлении.

Известна планарная цилиндрическая микролинза, имеющая прямоугольную входную апертуру, выполненная в виде градиентного фотонного кристалла, при этом вдоль оптической оси микролинзы выполнена щель, с длиной щели меньше или равна длине микролинзы [Патент РФ № 2539850].

Такая 2D линза обеспечивает фокусировку ТМ-поляризованного света в пятно шириной менее дифракционного предела, порядка 0,03 длины волны когерентного излучения.

Недостатком такого устройства является невозможность фокусировки в 3D случае и сложность реализации градиентного фотонного кристалла.

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.

При этом формировать локальные области концентрирования электромагнитной энергии вблизи поверхности мезоразмерных диэлектрических частиц возможно с помощью частиц различной формы, например, в форме сферы, усеченной сферы, куба, пирамиды, конуса, цилиндра, диска и т.д. при облучении их электромагнитной волной с плоским волновым фронтом и т.д. [I.V. Minin and O.V. Minin. Diffractive optics and nanophotonics: Resolution below the diffraction limit, Springer, 2016 http://www.springer.com/us/book/9783319242514#aboutBook].

В результате проведенных исследований, было обнаружено, что диэлектрические мезочастицы в форме куба (гексаэдра), с характерным размером не менее λ/2, где λ - длина волны используемого излучения, с относительным коэффициентом преломления материала лежащего в диапазоне от 1,2 до 1,7, при ее облучении электромагнитной волной с плоским волновым фронтом, формируют на ее внешней границе с противоположной стороны от падающего излучения локальную область с повышенной интенсивностью излучения с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4 [V. Pacheco-Pena, M. Beruete, I.V. Minin, and O.V. Minin, “Terajets produced by dielectric cuboids,” Appl. Phys. Lett. 105, 084102 (2014); V. Pacheco-Pena, M. Beruete, I.V. Minin, and O.V. Minin, “Multifrequency focusing and wide angular scanning of terajets,” Opt. Lett. 40, 245-248 (2015)].

Фотонная струя - это область фокусировки излучения с субволновыми размерами вблизи диэлектрической частицы. Фотонная струя возникает в области теневой поверхности диэлектрических микрочастиц - в т.н. ближней зоне дифракции - и характеризуется сильной пространственной локализацией и высокой интенсивностью оптического поля в области фокусировки [A. Heifetzetal. Photonic nano jets // J. Comput. Theor. Nanosci. 2009 September 1; 6(9): 1979-1992. doi:10.1166/jctn.2009.1254].

В качестве прототипа выбрано устройство [патент РФ на полезную модель №164738. Устройство для фокусировки излучения метакубоидной плоской линзой]. Устройство для фокусировки излучения, фокусирующего излучение от источника излучения и имеющее плоские входную и выходную апертуры, выполнено в форме кубоида из метаматериала с эффективным относительным показателем преломления (по отношению к показателю преломления окружающей среды), лежащего 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.

Такое устройство для фокусировки излучения в «фотонную струю» имеет следующие недостатки: сложность изготовления и не возможность фокусировки когерентного излучения в область с поперечными размерами менее 0,25 λ.

Задача данной полезной модели разработать устройство для фокусировки когерентного электромагнитного излучения в пятно шириной менее дифракционного предела, порядка 0,025 длины волны излучения с помощью диэлектрического куба и с возможностью простого практического изготовления и минимальными габаритами.

Техническим результатом является обеспечение фокусировки когерентного электромагнитного излучения в пятно шириной менее дифракционного предела, менее 0,25 λ.

Поставленная задача достигается тем, что устройство для фокусировки излучения с субдифракционным разрешением выполненное в форме куба с длиной каждого ребра куба L≈kλN, N=1, 2, 3 …, где λ - длина волны излучения освещающего куб, k - эмпирический коэффициент k=0,98…1,2 новым является то, что куб выполнен из материала с эффективным относительным показателем преломления, по отношению к показателю преломления окружающей среды и лежащего в диапазоне от 1,9 до 2,1, а вдоль оси симметрии куба, проходящей через центр противолежащих граней и параллельно падающему излучению, с обратной стороны куба по отношению к падающему излучению выполнено отверстие, при этом длина отверстия меньше или равна длине ребра куба, а характерный поперечный размер отверстия не превышает 0,25λ. Кроме того, поперечное сечение отверстия имеет форму квадрата. Кроме того, поперечное сечение отверстия имеет форму круга.

Полезная модель поясняется чертежами.

На Фиг. 1 приведено сечение устройства для фокусировки излучения с субдифракционным разрешением.

На Фиг. 2 приведено распределение интенсивности когерентного излучения в фокальной плоскости устройства для фокусировки излучения с субдифракционным разрешением в двух плоскостях с величиной поперечного сечения отверстия равного 0,05 λ и 0,025λ.

Обозначения: 1 - когерентное электромагнитное излучение, 2 - диэлектрический куб, 3 - отверстие в кубе, H - величина ребра куба, L - длина отверстия, а - поперечный размер отверстия.

Заявляемое устройство работает следующим образом.

Когерентное электромагнитное излучение 1 падает на устройство для фокусировки излучения с субдифракционным разрешением в форме диэлектрического куба 2 с отверстием 3, выполненного вдоль оси симметрии куба 2, проходящей через центр противолежащих граней и параллельно падающему излучению и расположенной по направлению распространения излучения с обратной стороны куба 2 по отношению к падающему излучению 1. При этом, длина каждого ребра куба 2 равна L≈kλN, N=1, 2, 3 …, где λ - длина волны излучения освещающего куб, k - эмпирический коэффициент k=0,98…1,2. Куб выполнен из материала с эффективным относительным показателем преломления, по отношению к показателю преломления окружающей среды и изменяющегося в диапазоне от 1,9 до 2,1, а характерный поперечный размер отверстия 3 не превышает 0,25λ.

В результате взаимодействия участков волновых фронтов, интерферирующих внутри материала куба 2, внутри отверстия 3 на границе грани куба - внешняя среда формируется область фокусировки излучения с повышенной концентрацией поля.

В случае наличия отверстия 3 в диэлектрическом кубе 2 когерентная волна излучения может распространяться в ней как в волноводе, а фокусировка излучения кубом сосредоточит энергию поля внутри отверстии 3 на границе диэлектрик - внешняя среда. Ширина фокусного пятна, сформированного на границе фокусирующего устройства, будет близка к характерному поперечному размеру отверстия 3, что позволит создавать фокусирующие устройства со сколь угодно малым фокусом. Чем меньше поперечный размер отверстия, тем уже поперечное распределение интенсивности электромагнитного поля в фокусе, но и тем меньше интенсивность когерентного электромагнитного излучения в фокусе. Длина отверстия L может быть как равна длине ребра куба, так и быть меньше ее.

В результате экспериментальных исследований и результатов математического моделирования было обнаружено, что при выполнении фокусирующего устройства в форме куба с отверстием, выполненного вдоль оси симметрии куба, проходящей через центр противолежащих граней и параллельно падающему излучению, с обратной стороны куба по отношению к падающему излучению, с поперечным сечением в форме квадрата или круга и характерным поперечным размером отверстия, не превышающего 0,25λ из материала с эффективным относительным показателем преломления, по отношению к показателю преломления окружающей среды менее 1,9 формируемое фокальное пятно имеет поперечные размеры более 0,25λ, а при относительном показателе преломления более 2,1 область фокусировки лежит внутри отверстия.

Из результатов, представленных на Фиг.2 следует, что ширина фокального пятна по полуспаду интенсивности составляет 0,047λ и 0,051λ в плоскостях ZY и ZX соответственно, при характерном поперечном размере сечения отверстия равного 0,05λ , и величине ребра куба равного λ и относительном показателе преломления равного 2. Для отверстия с поперечным размером равным 0,025λ, следует, что ширина фокального пятна по полуспаду интенсивности составляет 0,023λ и 0,026λ в плоскостях ZY и ZX соответственно.

В качестве материалов для изготовления устройства фокусировки когерентного излучения могут быть использованы, например: диоксид циркония ZrO₂, прозрачного в спектральном диапазоне 0,25-7,0 мкм с показателем преломления 1.97-2.05, тяжелые баритные флинты, например, ТБФ14 с показателем преломления 1.9624, сверхтяжелые флинты, например, СТФ2, СТФ11 с показателем преломления соответственно равным 1.9554, 2.0711, плавленый кварц с показателем преломления 1.95-2 в диапазоне длин волн 0,3-30 мм, композиты с наполнителем из TiO₂в матрице из фторопласта, полистирола или полиэтилена с показателем преломления порядка 2, керамика Mg₂F₂ с показателем преломления 2,167 на длине волны 1 мм, ЦМ-4 с показателем преломления 2,17 на длине волны 2 мм [ГОСТ 3514-94, Минин И.В., Минин О.В. Дифракционная квазиоптика и ее применения. Новосибирск: СибАГС, 1999. - 306 с.] и т.д.

Устройство для фокусировки излучения с субдифракционным разрешением в виде диэлектрического безградиентного куба с куба с отверстием, выполненного вдоль оси симметрии куба, проходящей через центр противолежащих граней и параллельно падающему излучению, с обратной стороны куба по отношению к падающему излучению, с поперечным сечением в форме квадрата или круга и характерным поперечным размером отверстия, не превышающего 0,25λ из материала с эффективным относительным показателем преломления, по отношению к показателю преломления окружающей среды лежащего в диапазоне от 1,9 до 2,1 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.

С учетом вышеизложенного, можно сделать вывод о соответствии настоящей заявки критериям патентоспособности.

Заявляемое устройство, кроме того, обеспечивает актуальное расширение приборного арсенала современных фокусирующих систем с субволновыми размерами.

Из приведенного примеров видно, что устройство 3D фокусировки когерентного электромагнитного излучения на основе диэлектрического куба с отверстием формирует фокусное пятно с шириной менее дифракционного предела, порядка 0,025 длины волны излучения и с возможностью простого практического изготовления и минимальными габаритами в отличие от простых градиентных и аналогичных им линз, устройств формирования фотонных струй (прототип). Кроме того, подбирая длину отверстия L, можно увеличить интенсивность излучения в фокусе устройства.

Claims

1. Устройство для фокусировки излучения с субдифракционным разрешением, выполненное в форме куба с длиной каждого ребра куба L≈kλN, N=1, 2, 3 …, где λ- длина волны излучения освещающего куб, k - эмпирический коэффициент k=0,98…1.,2, отличающееся тем, что куб выполнен из материала с эффективным относительным показателем преломления, по отношению к показателю преломления окружающей среды и лежащего в диапазоне от 1,9 до 2,1, а вдоль оси симметрии куба, проходящей через центр противолежащих граней и параллельно падающему излучению, с обратной стороны куба по отношению к падающему излучению выполнено отверстие, при этом длина отверстия меньше или равна длине ребра куба, а характерный поперечный размер отверстия не превышает 0,25 λ.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что поперечное сечение отверстия имеет форму квадрата.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что поперечное сечение отверстия имеет форму круга.