RU198112U1 - Устройство формирования фотонной струи - Google Patents

Abstract

Использование: для фокусировки электромагнитного излучения в локальную область с разрешением, превышающим дифракционный предел. Сущность полезной модели заключается в том, что в устройстве формирования фотонной струи, состоящем из источника электромагнитного излучения и диэлектрической цилиндрической частицы, расположенной вдоль направления распространения излучения, с относительным показателем преломления, находящимся в диапазоне примерно от 1,4 до 1,8, и диаметром, изменяющимся от нескольких длин волн до тысяч длин волн, согласно полезной модели диэлектрическая частица состоит из двух частей, разделенных по ее оси симметрии перпендикулярно направлению падения излучения, выполненных из диэлектриков с различными показателями преломлениями, первая часть частицы, на выпуклую сторону которой падает излучение, непосредственно сопряжена плоской стороной со второй частью частицы с показателем преломления меньше показателя преломления первой частицы примерно в 0,8-0,9 раз, а ее теневая сторона имеет усеченный вид на величину h, равнуюгде α - эмпирический коэффициент, равный 0,9-1,1; R - радиус частицы; n- показатель преломления материала второй части частицы. Кроме того, диэлектрическая частица выполнена в виде сферы. Технический результат: обеспечение возможности повышения пространственного разрешения и повышения энергической эффективности устройства формирования фотонной струи. 4 ил.

Description

Полезная модель относится к области оптического приборостроения, а именно к диэлектрическим фокусирующим устройствам, предназначенным, в частности, для фокусировки электромагнитного излучения в локальную область с разрешением, превышающим дифракционный предел.

Устройства формирования фотонных струй находят применение для получения биоизображений мелких биообъектов, таких, как, например, вирус; лазерного наноструктурирования; управления наночастицами; в неразрушающих методах контроля и т.д.

В 2004 г. впервые было обращено внимание на наличие эффекта «фотонной наноструи» при исследовании рассеяния лазерного излучения на прозрачных однородных кварцевых микроцилиндрах и позднее на сферических частицах. Устройство для формирования фотонной струи состоит из источника излучения и слабопоглощающей диэлектрической частицы с характерным размером, сравнимым с длиной волны падающего излучения и расположенной вдоль направления распространения излучения.

Фотонная струя возникает в области теневой поверхности диэлектрических микроцилиндрических и 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 и цилиндрическую частицы достижимо пространственное разрешение до трети длины волны, что ниже классического дифракционного предела. Обзор современного состояния по формированию фотонной струи диэлектрическими частицами произвольной формы в электромагнитном спектре приведен в работах [Alexander Heifetz, Soon-Cheol Kong, Alan V. Sahakian, Allen Taflove and Vadim Backman. Photonic Nanojets // Journal of Computational and Theoretical Nanoscience Vol. 6, 1979-1992, 2009; Boris S. Luk’yanchuk, Ramón Paniagua-Domínguez, Igor Minin, Oleg Minin, and Zengbo Wang Refractive index less than two: photonic nanojets yesterday, today and tomorrow // Optical Materials Express Vol. 7, Issue 6, pp. 1820-1847 (2017) •https://doi.org/10.1364/OME.7.001820; Minin I. V., Minin O. V. Diffractive optics and nanophotonics: Resolution below the diffraction limit. - Springer, 2016 [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.springer.com/us/book/9783319242514#aboutBook].

Известно устройство формирования фотонной струи, состоящее из источника излучения и диэлектрической сферической частицы с диаметром, сравнимым с длиной волны падающего излучения и расположенной вдоль направления распространения излучения, на теневой границе которой выполнен массив кольцевых структур с общим центром. Такая модифицированная микросфера формирует фотонную струю с уменьшенной шириной примерно на 30% [Патент WO/2017/007431, Microsphere for generating a photonic nanojet, авторы: Hong Minghui, Chen Xudong, Wu Mengxue.].

Известно устройство для формирования фотонной струи, обладающее 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.

Усовершенствование подобных устройств формирования фотонной струи предложено в [Patent US 2018 /0196243 A1, Methods and systems for super-resolution optical imaging using higy - index of refraction microspheres and microcylinders, авторы Vasily N . Astratov, Arash Darafsheh] и касается показателя преломления сферических и цилиндрических диэлектрических частиц, формирующих фотонную струю. Рекомендуется использовать материал частиц с показателем преломления не менее 1,8, а материал подложки или окружающей частицы среды должен иметь более низкий показатель преломления, при этом диаметр частиц может находиться в диапазоне между длиной волны используемого излучения до нескольких тысяч длин волн.

Недостатками известных устройств формирования фотонных струй являются недостаточное пространственное разрешение, не превышающее λ/3 - λ/4, где λ длина волны используемого излучения и низкая энергетическая эффективность цилиндрических и сферических диэлектрических частиц, формирующих фотонные струи.

Известно устройство формирования фотонной струи, состоящее из источника электромагнитного излучения и диэлектрических цилиндрических или сферических частичек, расположенных вдоль направления распространения излучения, с относительным показателем преломления находящимся в диапазоне примерно от 1,4 до 1,8 и диаметрами, изменяющимся от нескольких длин волн до тысяч длин волн [Patent US 9835870 B2, Super-resolution microscopy methods and systems enhanced by dielectric microspheres or microcylinders used in combination with metallic nanostructures, авторы Vasily N. Astratov, Nicholaos I. Limberopoulos, Augustine M.]. Данное устройство принято за прототип.

Однако, у этого устройства недостаточное пространственное разрешение, не превышающее λ/3 - λ/4, где λ длина волны используемого излучения и низкая энергетическая эффективность цилиндрических и сферических диэлектрических частиц, формирующих фотонные струи.

Задачей настоящей полезной модели является устранение указанных недостатков, а именно повышение пространственного разрешения и повышение энергической эффективности устройства формирования фотонной струи.

Указанная задача достигается тем, что в устройстве формирования фотонной струи, состоящем из источника электромагнитного излучения и диэлектрической цилиндрической частицы, расположенной вдоль направления распространения излучения, с относительным показателем преломления, находящимся в диапазоне примерно от 1,4 до 1,8, и диаметром, изменяющимся от нескольких длин волн до тысяч длин волн, согласно полезной модели диэлектрическая частица состоит из двух частей разделенных по ее оси симметрии перпендикулярно направлению падения излучения, выполненных из диэлектриков с различными показателями преломлениями, первая часть частицы, на выпуклую сторону которой падает излучение, непосредственно сопряжена плоской стороной со второй частью частицы с показателем преломления меньше показателя преломления первой частицы примерно в 0,8-0,9 раз, а ее теневая сторона имеет усеченный вид на величину h, равную

где α - эмпирический коэффициент, равный 0,9-1,1; R - радиус частицы; n₁ - показатель преломления материала второй части частицы.

Заявителем не выявлены какие-либо технические решения, идентичные заявленному, что позволяет сделать вывод о соответствии настоящего изобретения критерию «новизна».

Заявителем не выявлены источники информации, в которых содержались бы сведения о влиянии отличительных признаков изобретения на достигаемый технический результат. Указанные новые свойства объекта обуславливают, по мнению заявителя, соответствие изобретения критерию «изобретательский уровень». Полезная модель поясняется чертежами.

На Фиг. 1 показана схема устройства, на Фиг. 2 приведены результаты моделирования цилиндрической частицы диаметром равным 5λ и с показателем преломления равным 1,5 (прототип), на Фиг. 3 приведены результаты моделирования цилиндрической частицы диаметром равным 5λ с показатель преломления первой части диэлектрической частицы равным n ₂ = 1,5, показатель преломления материала второй части диэлектрической частицы n ₁ = 1,3, показатель преломления окружающего пространства n ₀ = 1, на Фиг. 4 приведены результаты моделирования диэлектрической цилиндрической частицы из двух диэлектриков, согласно предлагаемой полезной модели с усеченной теневой частью.

Обозначения: 1 - источник электромагнитного излучения, 2 – излучение, освещающее диэлектрическую частицу, 3 - первая часть диэлектрической частицы с относительным показателем преломления n ₂ /n ₀ =1,4-1,8, 4 - вторая часть диэлектрической частицы из материала с показателем преломления n ₁ , 5 - фотонная струя.

Устройство формирования фотонной струи работает следующим образом. Источник электромагнитного излучения 1 (лазер, диод Ганна, лампа обратной волны) генерирует электромагнитное излучение 2 в оптическом, терагерцовом или микроволновом диапазонах длин волн, которое освещает диэлектрическую цилиндрическую частицу, состоящую из двух диэлектриков с различными показателями преломления 3, 4. Цилиндрическая частица из двух диэлектриков 3, 4 расположена вдоль направления распространения излучения 2. Цилиндрическая диэлектрическая частица образована из двух частей 3, 4. Первая часть цилиндрической частицы 3, на которую падает излучение 2, изготавливается из диэлектрика с относительным показателем преломления, по отношению к окружающему пространству, находящимся в диапазоне примерно от 1,4 до 1,8 и диаметром, изменяющимся от нескольких длин волн до тысяч длин волн. Первая часть диэлектрической частицы 3 имеет форму усеченного цилиндра по его оси симметрии, плоскостью, перпендикулярной направлению падения излучения. Вторая часть диэлектрической частицы 4 непосредственно сопряжена с ее плоской поверхностью и имеет цилиндрическую форму теневой поверхности. Показатель преломления материала второй части диэлектрической частицы имеет величину меньше показателя преломления первой частицы примерно в 0,8-0,9 раз. При показателе преломления материала второй части диэлектрической частицы более примерно 0,9n ₂ происходит уменьшение интенсивности поля в области фотонной струи 5 и менее 0,8n ₂ увеличивается расстояние от теневой границы частицы до формируемой фотонной струи 5 с уменьшением пространственного разрешения и величины интенсивности электромагнитного поля в ней.

Как показали результаты моделирования для диэлектрической цилиндрической частицы, расположенной в воздухе и составленной из диэлектриков с показателями преломления равными 1,5 и 1,3 интенсивность поля в формируемой фотонной струе 5, по сравнению с однородной диэлектрической частицей больше примерно в 1,4 раза. Пространственное разрешение устройства формирования фотонной струи достигает порядка λ/5 - λ/6.

Обнаружено, что если теневая сторона диэлектрической частицы 4 имеет усеченный вид на величину d, равную примерно

$$d=\alpha R\left(1-\frac{1}{n_1}\right),$$

где α - эмпирический коэффициент, равный 0,9-1,1, R - радиус частицы, n ₁ - показатель преломления материала второй части частицы интенсивность электромагнитного поля в формируемой фотонной струе 5, по сравнению с однородной диэлектрической частицей становится больше примерно в 2 раза. С увеличением величины усечения диэлектрической частицы интенсивность поля в области формируемой фотонной струи уменьшается. В таблице 1 приведена зависимость интенсивности поля в области фотонной струи от величины усечения ее теневой части, нормированной на величину интенсивности поля в области фотонной струи, формируемой однородной диэлектрической цилиндрической частицы с радиусом R=5λ.

Таблица 1

d/R	Однородная диэлектрическая частица, d/R=0	0	0,03	0,04
I	1	1,42	1,96	1,2

Кроме того, установлено, что диэлектрическая частица, состоящая из двух частей разделенных по ее оси симметрии перпендикулярно направлению падения излучения, выполненных из диэлектриков с различными показателями преломлениями, первая часть частицы, на выпуклую сторону которой падает излучение, непосредственно сопряжена плоской стороной со второй частью частицы с показателем преломления меньше показателя преломления первой частицы примерно в 0,8-0,9 раз, а ее теневая сторона имеет усеченный вид на величину d, может иметь сферическую форму, при сохранении тенденций повышения пространственного разрешения и величины интенсивности электромагнитного поля в области фокуса.

В качестве диэлектриков с различными величинами показателя преломления могут использоваться, в зависимости от используемого спектрального диапазона, с различные стекла, полимеры, например, полиэтилен, полипропилен, политетраметилпентен, полистирол, фторопласт и т.д., керамика, пенопласты, композиционные материалы, искусственные материалы и т.д.

Техническим результатом полезной модели является повышение пространственного разрешения устройства при одновременном улучшении его энергетической эффективности.

Claims (5)

1. Устройство формирования фотонной струи, содержащее источник электромагнитного излучения и диэлектрическую цилиндрическую частицу, расположенную вдоль направления распространения излучения, с относительным показателем преломления, находящимся в диапазоне примерно от 1,4 до 1,8, и диаметром, изменяющимся от нескольких длин волн до тысяч длин волн, отличающееся тем, что цилиндрическая диэлектрическая частица состоит из двух частей, разделенных по ее оси симметрии перпендикулярно направлению падения излучения, выполненных из диэлектриков с различными показателями преломлениями, первая часть частицы, на выпуклую сторону которой падает излучение, непосредственно сопряжена плоской стороной со второй частью частицы с показателем преломления меньше показателя преломления первой частицы примерно в 0,8-0,9 раз, а ее теневая сторона имеет усеченный вид на величину d, равную
2. 
3. где α - эмпирический коэффициент, равный 0,9-1,1;
4. R - радиус частицы;
5. n₁ - показатель преломления материала второй части частицы.

Images