RU182548U1 - Полностью диэлектрический оптический диод - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области оптики и касается полностью диэлектрического оптического диода. Оптический диод включает в себя фокусирующую микролинзу, в фокусе которой расположена подложка, за которой расположен приемник излучения. Микролинза выполнена в виде мезоразмерной диэлектрической частицы, фокусирующей падающее на ее вершину излучение с пространственным разрешением не менее дифракционного предела. Полный угол раствора при ее вершине и коэффициент преломления материала выбраны из условия обеспечения полного внутреннего отражения излучения при его падении со стороны основания частицы. Диэлектрическая частица своим основанием располагается на диэлектрической подложке, прозрачной для используемого излучения. Технический результат заключается в упрощении конструкции и уменьшении размеров устройства. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

Description

Полезная модель относится к области оптики и может быть широко использована для проведения научно-исследовательских, контрольно-измерительных и диагностических работ, в устройствах связи и вычислительных оптических компьютерах.

Полностью оптический диод (AOD - all-optical diode) представляет собой пространственно невзаимное устройство, основанное на одностороннем распространении света: обеспечивается различное оптическое пропускание в противоположных направлениях. Для определенной длины волны в идеальном случае оптический диод позволяет полностью передавать свет по прямому направлению и полностью «запирает» распространение света вдоль обратного направления. AOD является ключевым компонентом для систем следующего поколения обработки всех оптических сигналов, которые широко используются и в оптических компьютерах.

Известно устройство оптического диода на основе двумерных фотонных кристаллов [Патенты КНР № CN 104460174, CN 105022116], с использованием нелинейно оптических материалов [Патент КНР № CN 101692148] и т.д.

Например, известен оптический диод (оптический вентиль), основанный на свойствах дифракционной оптики, выполненной на криволинейной поверхности, обеспечивающий разное пропускание в прямом и обратном направлениях [Минин И.В., Минин О.В, Оптический вентиль. А.С. 1679458, 1989]. Однако большие габариты таких устройств не позволяют использовать их в устройствах оптической микрофотоники.

Наиболее близким устройством к заявляемой полезной модели, принятым за прототип, является оптическая система для асимметричной передачи оптического излучения, описанная в статье [Tvingstedt, K., Dal Zilio, S., Inganas, O., Tormen, M., 2008, Trapping light with micro lenses in thin film organic photovoltaic cells, Optics Express, Vol. 16(26), pp. 21608-21615 (2008)].

Оптический диод состоит из микролинзы, в фокусе которой располагается отражающая поверхность подложки с микроотверстием, прошедшее излучение через которое фокусируется на приемнике, расположенном на большом расстоянии от фокуса микролинзы. При этом оптическое пропускание в прямом направлении (микролинза, отражающая поверхность подложки с отверстием) больше чем в обратном направлении (отражающая поверхность подложки с отверстием, микролинза).

Данное устройство использует микролинзы в комбинации с малым отверстием в фокусе этой линзы для создания асимметричной передачи светового излучения. Был получен эффект асимметрии передачи оптического излучения, но структура имела толщину и боковую ширину элементарной ячейки около 100 мкм или более 100-200 длин волны, что неприемлемо. Высокие продольные габариты известного устройства оптического диода обусловлены:

а) достаточно большим фокусным расстоянием полусферической микролинзы, которое составляет не менее 10-15 длин волн, а диаметр микролинзы - не менее ее фокусного расстояния (для возможности формирования необходимого волнового фронта),

б) необходимостью помещать приемник излучения на удалении от поверхности с микроотверстием для эффективного использования всей площади приемника из-за дифракционной расходимости прошедшего через микроотверстия излучения, наличием в конструкции устройства металлической отражающей поверхности.

Кроме того, выполнение микролинзы в виде полусферической поверхности не позволяет минимизировать отражение от ее поверхности и уменьшить фокусное расстояние, что снижает эффективность устройства в целом. При этом необходимо достаточно точно юстировать фокус микролинзы с осью отверстия в непрозрачной подложке.

Кроме того, наличие в конструкции оптического диода отражающей излучение подложки усложняет конструкцию за счет необходимости совмещения области фокусировки линзы и микроотверстия в непрозрачном для излучения отражающем экране.

Диаметр пятна Эйри h определяется, так называемым, критерием Рэлея, который устанавливает предел концентрации (фокусировки) оптического поля с помощью линзовых систем [Борн М., Вольф Э., Основы оптики - М.: Наука. - 1970]:

h=2.44 λFD^-1,

где λ - длина волны излучения, D - диаметр первичного зеркала или линзы, F - фокусное расстояние фокусирующего устройства.

Поперечный размер области фокусировки излучения возрастает с увеличением фокусного расстояния, длины волны используемого излучения и уменьшением характерного размера фокусирующего устройства.

Диаметр отверстия в отражающей поверхности связан с диаметром пятна Эйри. Для обеспечения максимального пропускания оптического излучения в прямом направлении, диаметр отверстия должен быть не менее диаметра пятна Эйри. С увеличением фокусного расстояния микролинзы увеличивается диаметр отверстия в отражающем экране. В этом случае увеличивается и пропускание оптического диода в обратном направлении.

Диаметр пятна Эйри h является важным параметром фокусирующей системы, который определяет ее собственную разрешающую способность в фокальной плоскости, определяет качество получаемого изображения и область концентрации акустической энергии для идеального фокусирующего устройства: линзы или зеркальной антенны. Он показывает минимальное расстояние между полем точечных источников в фокальной плоскости, которое способно зарегистрировать данная система. Максимальное разрешение идеальной линзовой системы не может превышать величины λ/2.

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].

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); Y.F. Lu, L. Zhang, W.D. Song, Y.W. Zheng, and B.S. Luk'yanchuk, // J. Exp. Theor. Phys. Lett. 72, 457 (2000); B.S. Luk'yanchuk, Z.B. Wang, W.D. Song, and M.H. Hong, “Particle on surface: 3D-effects in dry laser cleaning,” Appl. Phys., A Mater. Sci. Process. 79(4-6), 747-751 (2004)). 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. Было показано, что при падении плоской волны на сфероидальную частицу достижимо пространственное разрешение до трети длины волны, что ниже классического дифракционного предела.

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.; Daniel S. Benincasa, Peter W. Barber, Jian-Zhi Zhang, Wen-Feng Hsieh, and Richard K. Chang Spatial distribution of the internal and near-field intensities of large cylindrical and spherical scatterers // Applied Optics, Vol. 26, No. 7, 1987, рр. 1348-1356].

Позднее возможность получения фотонных наноструй была изучена для диэлектрических осесимметричных тел, например, эллиптических наночастиц [Минин И.В., Минин О.В. Квазиоптика: современные тенденции развития - Новосибирск: СГУГиТ, 2015. - 163 с.; T. Jalalia and D. Erni. Highly confined photonic nanojet from elliptical particles // Journal of Modern Optics, Vol. 61, No. 13, 1069-1076 (2014).], многослойных слоисто-неоднородных микросферических частиц с радиальным градиентом коэффициента преломления [César Méndez Ruiz and Jamesina J. Simpson. Detection of embedded ultrasubwavelength-thin dielectric features using elongated photonic nanojets // 2 August 2010 / Vol. 18, No. 16 / OPTICS EXPRESS 16805], а также полусфер [Cheng-Yang Liu. Photonic nanojet shaping of dielectric non-spherical microparticles // Physica E 64 (2014), pp. 23-28.], дисков [B. Luk'yanchuk, N.I.Zheludev, S.A. Maier, N.J. Halas, P. Nordlander, H. GiessenandT.C. Chong. The Fano resonance in plasmonic nanostructures and metamaterials. Nat. Mater. 9, 707-715 (2010); C-Y. Liu and C-C. Li. Photonic nanojet induced modes generated by a chain of dielectric microdisks. Optik 127, 267-273 (2016).], цилиндра-сферы [Jinlong Zhu and Lynford L. Goddard. Spatial control of photonic nanojets // Optics Express, Vol. 24, No. 26, 2016, 30445].

Так же было обнаружено, что фотонные струи могут быть сформированы мезоразмерными диэлектрическими частицами, например, в форме пирамиды, кругового конуса. [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; I.V. Minin, O.V. Minin and Geintz Y.E. Localized EM and photonic jets from non-spherical and non-symmetrical dielectric mesoscale objects: brief review. Annalen der Physik (AdP), May 2015 DOI: 10.1002/andp.201500132; Yu. E. Geintz, A.A. Zemlyanov and E.K. Panina. Photonic Nanonanojets from Nonspherical Dielectric Microparticles. Russian Physics Journal 58, 904-910 (2015); Yu. E. Geints, A.A. Zemlyanov and E.K. Panina. Characteristics of photonic jets from microcones. Optics and Spectroscopy 119, 849-854 (2015); И.В. Минин, О.В. Минин. Фотоника изолированных диэлектрических частиц произвольной трехмерной формы - новое направление оптических информационных технологий // "Вестник НГУ. Серия: Информационные технологии". 2014, №4, С. 4-10.].

Недостатком известных полностью оптических диодов является большие габариты, обусловленные тем, что для фокусировки акустического излучения относительный диаметр линзы D/λ должен быть не менее 10-15 и значительный размер области фокусировки, не менее дифракционного предела, что увеличивает оптическое пропускание диода в обратном направлении, наличие в конструкции оптического диода отражающей излучение подложки, сложностью конструкции за счет необходимости совмещения области фокусировки линзы и микроотверстия в непрозрачном для излучения отражающем экране.

Таким образом, задачей настоящей полезной модели является устранение указанных недостатков, а именно создание простого полностью диэлектрического оптического диода, с малыми габаритами.

Указанная задача решена благодаря тому, что в полностью диэлектрическом оптическом диоде, содержащем фокусирующую микролинзу, в фокусе которой расположена подложка, за которой расположен приемник излучения, новым является то, что микролинза выполнена в виде мезоразмерной диэлектрической частицы фокусирующей падающее на ее вершину излучение с пространственным разрешением, не менее дифракционного предела, с полным углом раствора при ее вершине и коэффициентом преломления материала, выбранным из условия обеспечения полного внутреннего отражения излучения при его падении со стороны основания частицы и диэлектрическая частица своим основанием располагается на диэлектрической подложке, прозрачной для используемого излучения.

Кроме того, диэлектрическая частица может быть выполнена в форме кругового конуса.

Кроме того, диэлектрическая частица может быть выполнена в форме пирамиды.

Кроме того, диэлектрическая частица может быть выполнена в виде монослоя диэлектрических частиц.

Кроме того, в диэлектрической подложке может быть выполнено отверстие в области фокуса диэлектрической частицы с диаметром не более поперечного размера области фокусировки.

В результате проведенных исследований, было обнаружено, что диэлектрическая частица, например, в форме кругового конуса или пирамиды, с характерным размером не менее λ, где λ - длина волны используемого излучения в среде, с относительным показателем преломления в материале частицы относительно показателя преломления окружающей среды лежащего в диапазоне от 1.2 до 1.7, формирует на ее внешней границе с противоположной стороны от падающего излучения области с повышенной концентрацией энергии и с поперечными размерами порядка λ/3 - λ/4.

Из технической литературы известно, что величина обратного рассеяния оптического излучения от диэлектрического кругового конуса или пирамиды при падении излучения на его вершину меньше, чем рассеяние от поверхности микролинзы.

Кроме того, известен эффект полного внутреннего отражения, который заключается в том, что если излучение падает из оптически более плотной среды на границу раздела с оптически менее плотной средой, то угол падения меньше угла преломления. При увеличении угла падения можно подойти к такому его значению, когда преломленный луч заскользит по границе раздела двух сред и не попадет во вторую среду. При переходе из среды оптически менее плотной в среду более плотную полное внутреннее отражение невозможно [Борн М., Вольф Э. Основы оптики. - М.: Мир, 1978].

Критический угол α при облучении со стороны основания конуса или пирамиды может быть вычислен по выражению:

,

где N показатель преломления диэлектрической частицы. Критический угол при облучении со стороны основания конуса или пирамиды может быть определен по следующему выражению [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]:

(

).

На фиг. 1 показана схема полностью диэлектрического оптического диода с диэлектрической частицей в форме конуса (а), пирамиды (б).

На Фиг. 2 приведена зависимость критического угла α от показателя коэффициента преломления N материала диэлектрического конуса при падении излучения на его вершину и основание

На Фиг. 3 показано распределение интенсивности поля сформированного диэлектрическим конусом с диаметром основания и высотой равными λ, с показателем преломления материала N равным 1.46 в случае падения излучения на его вершину (a) и основание (б) и распределение интенсивности поля сформированного диэлектрической пирамидой в случае падения излучения на его вершину (в).

Обозначения: 1 - направление падения оптического излучения на диэлектрическую частицу в «прямом направлении» в виде конуса 2, пирамиды 3; 4 - формируемая «фотонная струя» область повышенной интенсивности поля с поперечными размерами порядка λ/3 - λ/4, 5 - диэлектрическая подложка.

Заявляемое устройство работает следующим образом.

В прямом направлении, падающее излучение 1 освещает диэлектрическую частицу 2 или 3, которая фокусирует это излучение в «фотонную струю» 4 с поперечными размерами порядка λ/3 - λ/4, которая возникает непосредственно на теневой границе частицы 2 или 3, при этом достижимо пространственное разрешение, превышающее дифракционный предел. Далее фотонная струя 4 проходит через диэлектрическую подложку 5, прозрачную для падающего излучения, и в которой может быть выполнено микроотверстие в области фокусировки диэлектрической частицы и далее преобразуется оптическим приемником, например, в электрический сигнал и регистрируется. В результате осуществляется режим максимального пропускания оптического излучения.

В обратном направлении оптическое излучение падает на диэлектрическую подложку 5 и освещает основание диэлектрической частицы 2 или 3. Далее, в результате полного внутреннего отражения, излучение из области вершины частицы 2 или 3 отражается назад и не выходит из области вершины, что обеспечивает минимальное пропускание оптического излучения в «обратном» направлении.

В результате проведенных исследований было установлено, что локализация поля типа «фотонная струя» для характерных размеров конуса и пирамиды менее λ/2 не формируется. Устойчиво локализация оптического поля типа «фотонная струя» формируется при размерах диэлектрической частицы не менее λ.

Диэлектрическая частица может быть выполнена в виде монослоя диэлектрических частиц для формирования матрицы оптических диодов.

В диэлектрической подложке может быть выполнено отверстие в области фокуса диэлектрической частицы с диаметром не более поперечного размера области фокусировки для увеличения прохождения излучения в прямом направлении.

Матрица оптических диодов может быть использована в качестве прозрачного электрода в системах для солнечных элементов.

Устройство оптического диода может быть реализовано как в оптическом диапазоне, так в терагерцовом и сверхвысокочастотном диапазонах длин волн.

Полностью диэлектрический оптический диод в котором фокусирующие элементы выполнены в виде мезомасштабных диэлектрических частиц в форме кругового конуса или пирамиды с полным углом раствора при их вершине и коэффициентом преломления материала, выбранном из условия обеспечения полного внутреннего отражения излучения при его падении со стороны основания частицы и диэлектрическая частица своим основанием располагается на диэлектрической подложке, прозрачной для используемого излучения, позволяет уменьшить поперечные размеры фокусирующих элементов до 10 раз, увеличивая поперечное разрешение в 2 раза и обеспечивая одностороннюю проводимость в требуемом направлении при одновременном упрощении полностью диэлектрического устройства.

Claims (5)

1. Полностью диэлектрический оптический диод, содержащий фокусирующую микролинзу, в фокусе которой расположена подложка, за которой расположен приемник излучения, отличающийся тем, что микролинза выполнена в виде мезоразмерной диэлектрической частицы, фокусирующей падающее на ее вершину излучение с пространственным разрешением не менее дифракционного предела, с полным углом раствора при ее вершине и коэффициентом преломления материала, выбранным из условия обеспечения полного внутреннего отражения излучения при его падении со стороны основания частицы, и диэлектрическая частица своим основанием располагается на диэлектрической подложке, прозрачной для используемого излучения.

2. Полностью диэлектрический оптический диод по п. 1, отличающийся тем, что диэлектрическая частица выполнена в форме кругового конуса.

3. Полностью диэлектрический оптический диод по п. 1, отличающийся тем, что диэлектрическая частица выполнена в форме пирамиды.

4. Полностью диэлектрический оптический диод по п. 1, отличающийся тем, что диэлектрическая частица выполнена в виде монослоя диэлектрических частиц.

5. Полностью диэлектрический оптический диод по п. 1, отличающийся тем, что в диэлектрической подложке выполнено отверстие в области фокуса диэлектрической частицы диаметром не более поперечного размера области фокусировки.

Images