RU218305U1 - Device for focusing radiation into a curved region in the form of an acoustic hook - Google Patents
Device for focusing radiation into a curved region in the form of an acoustic hook Download PDFInfo
- Publication number
- RU218305U1 RU218305U1 RU2023107820U RU2023107820U RU218305U1 RU 218305 U1 RU218305 U1 RU 218305U1 RU 2023107820 U RU2023107820 U RU 2023107820U RU 2023107820 U RU2023107820 U RU 2023107820U RU 218305 U1 RU218305 U1 RU 218305U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- acoustic
- sound
- regular triangular
- radiation
- hook
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Полезная модель относится к ультразвуковой технике, а точнее к устройствам, предназначенным для фокусировки упругих волн в фокальную область в виде криволинейной области в форме акустического крюка и с поперечными размерами менее дифракционного предела, и может быть использована для проведения научно-исследовательских, контрольно-измерительных и диагностических работ, при осуществлении технологических процессов и исследования биообъектов, а также при ультразвуковом контроле и в медицинской диагностике, в системах звуковидения, акустических микроскопах, перемешивания веществ и т.п.The utility model relates to ultrasonic technology, and more specifically to devices designed to focus elastic waves into a focal region in the form of a curved region in the form of an acoustic hook and with transverse dimensions less than the diffraction limit, and can be used for research, control and measurement and diagnostic work, in the implementation of technological processes and the study of biological objects, as well as in ultrasound control and in medical diagnostics, in sound imaging systems, acoustic microscopes, mixing of substances, etc.
Техническим результатом является разработка устройства фокусировки излучения в криволинейную область в форме акустического крюка, предназначенного для работы в газах или жидкостях. The technical result is the development of a device for focusing radiation into a curvilinear region in the form of an acoustic hook designed to operate in gases or liquids.
Технический результат достигается устройством фокусировки излучения в криволинейную область в форме акустического крюка, состоящим из кубоидной частицы, выполненной из звукопроводящего материала с относительной скоростью звука в материале частицы относительно скорости звука в окружающей среде, лежащем в диапазоне от 0,5 до 0,83 и образованного из решетки параллельных пластин, выполненных из материала с величиной импеданса, отличного от импеданса окружающей среды, новым является то, что кубоидная частица состоит из двух частей в форме правильных треугольных призм, сопряженных по диагонали и выполненных из материалов с различными показателями преломления, с оптическим контрастом по отношению к окружающей среде первой правильной треугольной призмы, на боковую поверхность которой падает излучение, равным примерно 1,4-1,75, и показателем преломления материала второй правильной треугольной призмы меньше показателя преломления материала первой правильной треугольной призмы в 0,8-1,2 раза, а звукопроводящий материал правильной треугольной призмы выполнен из решетки параллельных пластин равной толщины и расположенных под углом α к падающему излучению, с расстоянием между пластинами не более λ/2, при этом эффективный показатель преломления материала n определяется по выражению n=1/сosα. 1 ил.
Description
Полезная модель относится к ультразвуковой технике, а точнее к устройствам, предназначенным для фокусировки упругих волн в фокальную область в виде криволинейной области в форме акустического крюка и с поперечными размерами менее дифракционного предела, и может быть использована для проведения научно-исследовательских, контрольно-измерительных и диагностических работ, при осуществлении технологических процессов и исследования биообъектов, а также при ультразвуковом контроле и в медицинской диагностике, в системах звуковидения, акустических микроскопах, перемешивания веществ и т.п.The utility model relates to ultrasonic technology, and more specifically to devices designed to focus elastic waves into a focal region in the form of a curved region in the form of an acoustic hook and with transverse dimensions less than the diffraction limit, and can be used for research, control and measurement and diagnostic work, in the implementation of technological processes and the study of biological objects, as well as in ultrasound control and in medical diagnostics, in sound imaging systems, acoustic microscopes, mixing of substances, etc.
Для фокусировки упругих волн с поперечным разрешением, превышающим критерий Рэлея, необходимо фокусировать упругие волны вблизи раздела двух сред с различными величинами акустического показателя преломления. Отношение скоростей звука называют акустическим показателем преломления первой среды по отношению ко второй. Вблизи поверхности раздела сред возбуждаются поверхностные упругие волны, конструктивная интерференция которых может приводить к уменьшению поперечного размера области фокусировки ниже дифракционного предела. Так как акустические поверхностные волны имеют проекцию волнового вектора k x на поперечную координату х большую, чем волновое число в среде: k x>k 0 n, где k 0=2π/λ – волновое число в среде, n – акустический показатель преломления среды.To focus elastic waves with a transverse resolution exceeding the Rayleigh criterion, it is necessary to focus elastic waves near the interface between two media with different values of the acoustic refractive index. The ratio of the speeds of sound is called the acoustic refractive index of the first medium with respect to the second. Near the interface between media, surface elastic waves are excited, the constructive interference of which can lead to a decrease in the transverse size of the focusing region below the diffraction limit. Since acoustic surface waves have a projection of the wave vector k x on the transverse coordinate x greater than the wave number in the medium: k x > k 0 n , where k 0 =2 π / λ is the wave number in the medium, n is the acoustic refractive index of the medium .
Известно, что осуществить субволновую фокусировку акустических волн возможно по аналогии с эффектом «фотонной струи» в оптическом диапазоне длин волн [Т. Miyashita and С. Inoue, Numerical investigations of transmission and waveguide properties of sonic crystals by nite-difference time-domain method // Japan. J. Appl. Phys. 40, 3488, (2001); Минин И.В., Минин O.B. Квазиоптика: современные тенденции развития. - Новосибирск: СГУГиТ, 2015. - 163 с.].It is known that it is possible to carry out subwave focusing of acoustic waves by analogy with the effect of "photonic jet" in the optical wavelength range [T. Miyashita and C. Inoue, Numerical investigations of transmission and waveguide properties of sonic crystals by nite-difference time-domain method // Japan. J. Appl. Phys. 40, 3488 (2001); Minin I.V., Minin O.V. Quasi-optics: current development trends. - Novosibirsk: SGUGiT, 2015. - 163 p.].
Фотонные струи это узкая область фокусировки, формируемая на теневой границе диэлектрической частицы с различной формой поверхности, с относительно небольшими относительными показателями преломления (n≤2), с протяженностью более длины волны излучения λ и минимальной шириной порядка λ/3-λ/4 [A. Heifetzetal. Photonicnanojets // J ComputTheorNanosci. 2009 September 1; 6(9): 1979-1992. doi:10.1166/jctn.2009.1254].Photonic jets are a narrow focus area formed on the shadow boundary of a dielectric particle with a different surface shape, with relatively small relative refractive indices (n≤2), with an extension greater than the radiation wavelength λ and a minimum width of the order of λ /3- λ /4 [A . Heifetzetal. Photonicnanojets // J ComputTheorNanosci. 2009 September 1; 6(9): 1979-1992. doi:10.1166/jctn.2009.1254].
Понятие акустоструи (acoustojets), как аналога фотонной струи в оптике, было впервые введено в работах [I.V. Minin and O.V. Minin, Acoustojet: acoustic analogue of photonic jet phenomenon, arXiv: 1604.08146 (2016); O.V. Minin and I.V. Minin, Acoustic analogue of photonic jet phenomenon based on penetrable 3D particle // Opt. Quant. Electron. 49, 54 (2017); J.H. Lopes, J.P. Leo-Neto, I.V. Minin, O.V. Minin, a & G.T. Silva, A theoretical analysis of acoustic jets // ICA2016, 0943, (2016)].The concept of an acoustic jet (acoustojets), as an analogue of a photon jet in optics, was first introduced in [I.V. Minin and O.V. Minin, Acoustojet: acoustic analogue of photonic jet phenomenon, arXiv: 1604.08146 (2016); O.V. Minin and I.V. Minin, Acoustic analogue of photonic jet phenomenon based on penetrable 3D particle, Opt. quant. electron. 49, 54 (2017); J.H. Lopes, J.P. Leo-Neto, I.V. Minin, O.V. Minin, a & G.T. Silva, A theoretical analysis of acoustic jets // ICA2016, 0943, (2016)].
Акустоструя это область повышенной концентрации акустической энергии и с высоким (субволновым) пространственным разрешением, возникающая непосредственно на теневой стороне мезоразмерной звукопроводящей частицы.An acoustic jet is a region of increased concentration of acoustic energy and with a high (subwavelength) spatial resolution, which appears directly on the shadow side of a mesodimensional sound-conducting particle.
Акустическая струя возникает только для определенных значений относительной скорости звука в материале звукопроводящей частицы (линзы) и окружающей среды [J.Н. Lopes, М.А.В. Andrade, J.P. Leão-Neto, J.С. Adamowski, I.V. Minin, and G.T. Silva. Focusing Acoustic Beams with a Ball-Shaped Lens beyond the Diffraction Limit // Phys. Rev. Applied 8, 024013 (2017), DOI: 10.1103/PhysRevApplied 8.024013; Минин И.В., Минин O.B. Сверхразрешение в акустических фокусирующих устройствах // Вестник СГУГиТ, Том 23, №2, 2018, с. 231-244.]. Причем с увеличением этого параметра возрастает максимальное значение давления в акустической струе и увеличивается пространственное разрешение такой мезоразмерной линзы.An acoustic jet occurs only for certain values of the relative speed of sound in the material of the sound-conducting particle (lens) and the environment [J.N. Lopes, M.A.W. Andrade, J.P. Leão-Neto, J.C. Adamowski, I.V. Minin, and G.T. Silva. Focusing Acoustic Beams with a Ball-Shaped Lens beyond the Diffraction Limit // Phys. Rev. Applied 8, 024013 (2017), DOI: 10.1103/PhysRevApplied 8.024013; Minin I.V., Minin O.V. Superresolution in acoustic focusing devices // Vestnik SGUGiT, Vol. 23, No. 2, 2018, p. 231-244]. Moreover, with an increase in this parameter, the maximum value of the pressure in the acoustic jet increases and the spatial resolution of such a mesoscale lens increases.
Фотонный крюк является разновидностью фотонной струи. Фотонный крюк – это искривленная фотонная струя на протяженности порядка длины волны излучения [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; Liyang Yue, O. V. Minin, Zengbo Wang, James N. Monks, A. S. Shalin, and I. V. Minin. Photonic hook: a new curved light beam // Optics Letters, Vol. 43, No. 4 / 15 February 2018, рр. 771-774; Igor V. Minin, Oleg V. Minin, Igor A.Glinskiy, and Dmitry S.Ponomarev. Photonic hook plasmons: a new curved surface wave // Preprints (www.preprints.org), doi:10.20944/preprints201809.0113.v1; G. Gu, L. Shao, J. Song, J. Qu, K. Zheng, X. Shen, Z. Peng, J. Hu, X. Chen, M. Chen, and Q. Wu, Photonic hooks from Janus microcylinders // Opt. Express 27, 37771 (2019); Minin I V, Minin O V, Katyba G, Chernomyrdin N, Kurlov V, Zaytsev K, Yue L, Wang Z and Christodoulides D. Experimental observation of a photonic hook // Appl. Phys. Lett. 2019, 114, 031105; C.-Y. Liu, H.-J. Chung, and H.-P. E, Reflective photonic hook achieved by dielectric-coated concave hemi-cylindrical mirror // J. Opt. Soc. Am. B, (2020). DOI: 10.1364/JOSAB.399434; Патенты РФ 161207, 195550, 195603, 207824].The photon hook is a kind of photon jet. A photon hook is a curved photon jet over a length of the order of the radiation wavelength [Minin I. V., Minin O. V. Diffractive optics and nanophotonics: Resolution below the diffraction limit. – Springer, 2016 [Electronic resource]. – Access Mode: http://www.springer.com/us/book/9783319242514#aboutBook; Liyang Yue, O. V. Minin, Zengbo Wang, James N. Monks, A. S. Shalin, and I. V. Minin. Photonic hook: a new curved light beam // Optics Letters, Vol. 43, no. 4 / 15 February 2018, rr. 771-774; Igor V. Minin, Oleg V. Minin, Igor A. Glinskiy, and Dmitry S. Ponomarev. Photonic hook plasmons: a new curved surface wave // Preprints (www.preprints.org), doi:10.20944/preprints201809.0113.v1; G. Gu, L. Shao, J. Song, J. Qu, K. Zheng, X. Shen, Z. Peng, J. Hu, X. Chen, M. Chen, and Q. Wu, Photonic hooks from Janus microcylinders //opt. Express 27, 37771 (2019); Minin I V, Minin O V, Katyba G, Chernomyrdin N, Kurlov V, Zaytsev K, Yue L, Wang Z and Christodoulides D. Experimental observation of a photonic hook // Appl. Phys. lett.2019, 114, 031105; C.-Y. Liu, H.-J. Chung, and H.-P. E, Reflective photonic hook achieved by dielectric-coated concave hemi-cylindrical mirror // J. Opt. soc. Am. B, (2020). DOI: 10.1364/JOSAB.399434; RF patents 161207, 195550, 195603, 207824].
Акустический крюк является аналогом фотонного крюка в акустике [C. Rubio, D. Tarrazo-Serrano, O. V. Minin, A. Uris, and I. V. Minin, Acoustical hooks: A new subwavelength self-bending beam // Results Phys. 16, 102921 (2020); X. M. Ren, Q. X. Zhou, Z. Xu, and X. J. Liu, Acoustic hook beam lens for particle trapping // Appl. Phys. Express 13, 064003 (2020)].The acoustic hook is analogous to the photon hook in acoustics [C. Rubio, D. Tarrazo-Serrano, O. V. Minin, A. Uris, and I. V. Minin, Acoustical hooks: A new subwavelength self-bending beam // Results Phys. 16, 102921 (2020); X. M. Ren, Q. X. Zhou, Z. Xu, and X. J. Liu, Acoustic hook beam lens for particle trapping, Appl. Phys. Express 13, 064003 (2020)].
Известна газонаполненная акустическая линза в форме кубоида для фокусировки звуковых волн. Акустическая линза содержит оболочку из податливого материала, заполненную газом. При этом оболочка выполняется в форме кубоида с размером ребра не менее λ/2, а заполняемое вещество оболочки имеет скорость звука относительно скорости звука в окружающей среде, лежащего в диапазоне от 0,5 до 0,83 [Патент РФ 170911. Акустическая линза]. Known gas-filled acoustic lens in the form of a cuboid for focusing sound waves. The acoustic lens contains a shell of a pliable material filled with gas. In this case, the shell is made in the form of a cuboid with an edge size of at least λ /2, and the filled substance of the shell has a speed of sound relative to the speed of sound in the environment, which lies in the range from 0.5 to 0.83 [RF Patent 170911. Acoustic lens].
При таких параметрах акустическая линза формирует на своей теневой стороне акустострую и может работать в звуковом диапазоне длин волн.With such parameters, the acoustic lens forms an acoustic jet on its shadow side and can operate in the sound wavelength range.
Недостатком устройства является невозможность фокусировки излучения в криволинейную область в форме акустического крюка, малые прочность и надежность кубоидной линзы.The disadvantage of the device is the impossibility of focusing radiation into a curved region in the form of an acoustic hook, low strength and reliability of the cuboid lens.
Известно устройство фокусировки излучения в криволинейную область в форме акустического крюка [Constanza Rubio, Daniel Tarrazo-Serrano, Oleg V. Minin, Antonio Uris, Igor V. Minin. Acoustical hook: a new subwavelengh self-bending beam // Results in Physics, 16 (2020) 102921], состоящее из звукопроводящей частицы, выполненной из материала, обеспечивающего оптический контраст по отношению к окружающей среде равный 1,2-1,75 и имеющее форму кубоида, одно ребро которого совмещено с одной боковой гранью прямой треугольной призмы, выполненной из того же материала и с размером ребра совпадающего с величиной ребра кубоида, равного (0,9-1,3)Nλ, где N – целое число, λ – длина волны используемого излучения в среде, при этом акустическое излучение падает на гипотенузу призмы и микрочастицы, расположенной в области сфокусированного излучения.A device for focusing radiation into a curved region in the form of an acoustic hook [Constanza Rubio, Daniel Tarrazo-Serrano, Oleg V. Minin, Antonio Uris, Igor V. Minin. Acoustical hook: a new subwavelengh self-bending beam // Results in Physics, 16 (2020) 102921], consisting of a sound-conducting particle made of a material that provides an optical contrast with respect to the environment equal to 1.2-1.75 and having the shape of a cuboid, one edge of which is aligned with one side face of a straight triangular prism, made of the same material and with the size of the edge coinciding with the size of the edge of the cuboid, equal to (0.9-1.3)Nλ, where N is an integer, λ is the wavelength of the radiation used in the medium, while acoustic radiation falls on the hypotenuse of the prism and microparticles located in the region of focused radiation.
Достоинством устройства является возможность субволновой криволинейной фокусировки акустического излучения в жидкостях.The advantage of the device is the possibility of subwave curvilinear focusing of acoustic radiation in liquids.
Недостатком устройства является большие продольные размеры фокусирующего устройства, достигающие примерно (1,9-2,3)Nλ, где N целое число, невозможность применения устройства в газах из-за большого значения контраста акустических импедансов фокусирующего устройства и окружающей среды. Кроме того, недостатком устройства является его сложность, обусловленная сложностью выбора материала устройства, отличного от материала окружающего пространства с необходимой скоростью звука и величиной импеданса для малых потерь излучения на отражение, их зависимость от параметров окружающей среды (температура, давление и т.д.).The disadvantage of the device is the large longitudinal dimensions of the focusing device, reaching approximately (1.9-2.3)Nλ, where N is an integer, the impossibility of using the device in gases due to the high contrast of the acoustic impedances of the focusing device and the environment. In addition, the disadvantage of the device is its complexity, due to the complexity of choosing the material of the device, which is different from the material of the surrounding space with the required speed of sound and the impedance value for low reflection losses of radiation, their dependence on environmental parameters (temperature, pressure, etc.) .
В качестве прототипа выбрана акустическая кубоидная линза по [Патенту РФ 201846] с размером ребра не менее λ/2, где λ – длина волны излучения в окружающем пространстве линзы и выполненной из звукопроводящего материала с относительной скоростью звука в материале линзы относительно скорости звука в окружающей среде, лежащего в диапазоне от 0,5 до 0,83 и образованная из решетки параллельных пластин, установленных под углом +α к падающему излучению выше оптической оси линзы и под углом -α ниже оптической оси линзы, шириной пластин, равных длине грани кубоида и выполненных из материала с величиной импеданса, отличного от импеданса окружающей среды.As a prototype, an acoustic cuboid lens according to [RF Patent 201846] with a rib size of at least λ/2, where λ is the radiation wavelength in the surrounding space of the lens and made of a sound-conducting material with a relative speed of sound in the lens material relative to the speed of sound in the environment , lying in the range from 0.5 to 0.83 and formed from a lattice of parallel plates installed at an angle +α to the incident radiation above the optical axis of the lens and at an angle -α below the optical axis of the lens, the width of the plates is equal to the length of the face of the cuboid and made from a material with an impedance value different from that of the environment.
Достоинством устройства является возможность субволновой фокусировки акустического излучения, ее прочность и надежность.The advantage of the device is the possibility of subwave focusing of acoustic radiation, its strength and reliability.
Недостатком устройства является невозможность фокусировки излучения в криволинейную область в форме акустического крюка.The disadvantage of the device is the impossibility of focusing the radiation into a curved region in the form of an acoustic hook.
Задачей настоящей полезной модели является устранение указанных недостатков, а именно разработка устройства фокусировки излучения в криволинейную область в форме акустического крюка, предназначенного для работы в газах или жидкостях. The objective of this utility model is to eliminate these shortcomings, namely, the development of a device for focusing radiation into a curved region in the form of an acoustic hook designed to operate in gases or liquids.
Указанная задача решена благодаря тому, что в устройстве фокусировки излучения в криволинейную область в форме акустического крюка, состоящим из кубоидной частицы, выполненной из звукопроводящего материала с относительной скоростью звука в материале частицы относительно скорости звука в окружающей среде, лежащем в диапазоне от 0,5 до 0,83 и образованного из решетки параллельных пластин, выполненных из материала с величиной импеданса, отличного от импеданса окружающей среды, новым является то, что кубоидная частица, состоит из двух частей в форме правильных треугольных призм, сопряженных по диагонали и выполненных из материалов с различными показателями преломления, с оптическим контрастом по отношению к окружающей среде первой правильной треугольной призмы, на боковую поверхность которой падает излучение, равным примерно 1,4-1,75, и показателем преломления материала второй правильной треугольной призмы меньше показателя преломления материала первой правильной треугольной призмы в 0,8-1,2 раза, а звукопроводящий материал правильной треугольной призмы выполнен из решетки параллельных пластин равной толщины и расположенных под углом α к падающему излучению, с расстоянием между пластинами не более λ/2, при этом эффективный показатель преломления материала n определяется по выражению n=1/сosα.This problem is solved due to the fact that in the device for focusing radiation into a curvilinear region in the form of an acoustic hook, consisting of a cuboid particle made of a sound-conducting material with a relative sound velocity in the particle material relative to the sound velocity in the environment, ranging from 0.5 to 0.83 and formed from a lattice of parallel plates made of a material with an impedance value different from that of the environment, what is new is that the cuboid particle consists of two parts in the form of regular triangular prisms, conjugated diagonally and made of materials with different refractive indices, with an optical contrast with respect to the environment of the first regular triangular prism, on the side surface of which radiation falls, equal to approximately 1.4-1.75, and the refractive index of the material of the second regular triangular prism is less than the refractive index of the material of the first regular triangular prism in 0.8-1.2 times, and the sound-conducting material of a regular triangular prism is made of a lattice of parallel plates of equal thickness and located at an angle α to the incident radiation, with a distance between the plates of not more than λ /2, while the effective refractive index of the material n is determined by expression n=1/cos α.
Заявляемое устройство фокусировки излучения в криволинейную область в форме акустического крюка обладает совокупностью существенных признаков, неизвестных из уровня техники для изделий подобного назначения и неизвестных из доступных источников научной, технической и патентной информации на дату подачи заявки на изобретение.The claimed device for focusing radiation into a curved region in the form of an acoustic hook has a set of essential features unknown from the prior art for products of this purpose and unknown from available sources of scientific, technical and patent information at the date of filing an application for the invention.
Изобретение поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.
На фиг. 1 приведена схема устройства фокусировки излучения в криволинейную область в форме акустического крюка и пример моделирования формирования акустического крюка по предлагаемому техническому решению. Устройство фокусировки расположено в воздухе, эффективный показатель преломления материала первой правильной треугольной призмы равен 1,50, второй призмы 1,30. Размер ребра кубоида 2λх2λх2λ, где λ длина волны используемого излучения.In FIG. Figure 1 shows a diagram of a device for focusing radiation into a curvilinear region in the form of an acoustic hook and an example of modeling the formation of an acoustic hook according to the proposed technical solution. The focusing device is located in the air, the effective refractive index of the material of the first regular triangular prism is 1.50, the second prism is 1.30. The edge size of the cuboid is 2λx2λx2λ, where λ is the wavelength of the radiation used.
Обозначения: 1 – освещающее излучение; 2 – фокусирующее устройство, состоящее из двух частей в форме правильных треугольных призм сопряженных по диагонали; 3 – первая правильная треугольная призма, на боковую поверхность которой падает излучение с оптическим контрастом по отношению к окружающей среде равным примерно n 1 /n 0 = 1,4-1,75, где n 0 и n 1 – показатели преломления окружающей среды и материала первой призмы; 4 – вторая правильная треугольная призма с показателем преломления материала менее показателя преломления материала первой правильной треугольной призмы n 2 /n 1 в 0,8-1,2 раза, где n 2 – показатель преломления материала второй призмы; 5 – «акустический крюк».Designations: 1 – illuminating radiation; 2 - focusing device, consisting of two parts in the form of regular triangular prisms conjugated diagonally; 3 - the first regular triangular prism, on the side surface of which radiation falls with an optical contrast with respect to the environment equal to approximately n 1 / n 0 \u003d 1.4-1.75, where n 0 and n 1 are the refractive indices of the environment and material first prism; 4 - the second regular triangular prism with a refractive index of the material less than the refractive index of the material of the first regular triangular prism n 2 /n 1 by 0.8-1.2 times, where n 2 is the refractive index of the material of the second prism; 5 - "acoustic hook".
Устройство фокусировки излучения в криволинейную область в форме акустического крюка работает следующим образом. Источник акустического излучения формирует акустическую волну 1 и облучает кубоидное стройство фокусировки излучения в криволинейную область 2. Фокусирующее устройство 2 выполнено в форме кубоида состоящего из двух частей в форме правильных треугольных призм 3, 4 сопряженных по диагонали и выполненных из материалов с различными показателями преломления. Оптический контраст по отношению к окружающей среде первой правильной треугольной призмы 3, на боковую поверхность которой падает излучение, равен примерно 1,4-1,75. Показатель преломления материала второй правильной треугольной призмы 4 меньше показателя преломления материала первой правильной треугольной призмы 3 в 0,8-1,2 раза. The device for focusing radiation into a curved region in the form of an acoustic hook works as follows. The source of acoustic radiation forms an
Искусственный материал, образован из решетки параллельных пластин установленных под углом α к падающему излучению. Принцип действия такой искусственной среды заключается в том, чтобы заставить волны двигаться между наклонно расположенными пластинами. В этом случае, проходимый путь возрастает в 1/сosα раз, что соответствует эффективному показателю преломления по отношению к распространению волн в свободном пространстве n=1/сosα [Kock W. E. Metal-lens antennas // Proc. IRE. 34, 828–836 (1946). Winston E. Kock. Metallic Delay Lenses // Bell System Technical Journal, 1948, 27, р. 58-82.]. В таком искусственном диэлектрике эффективный показатель преломления зависит только от угла наклона пластин решетки.Artificial material, formed from a lattice of parallel plates set at an angle α to the incident radiation. The principle of operation of such an artificial environment is to make waves move between inclined plates. In this case, the distance traveled increases in1/cosα times, which corresponds to the effective refractive index with respect to wave propagation in free spacen=1/cosα [Kock W. E. Metal-lens antennas // Proc. I.R.E. 34, 828–836 (1946). Winston E. Cock. Metallic Delay Lenses // Bell System Technical Journal, 1948, 27, p. 58-82.].In such an artificial dielectric, the effective refractive index depends only on the angle of inclination of the grating plates.
При взаимодействии падающего на фокусирующее устройство 2 акустического излучения внутри искусственного материала фокусирующего устройства 2 вследствие разных фазовых скоростей волнового фронта в центре и в области граней кубика 2 падающий волновой фронт излучения искажается и становится вогнутым, что приводит к его последующей фокусировке.When the acoustic radiation incident on the focusing device 2 interacts inside the artificial material of the focusing device 2, due to different phase velocities of the wave front in the center and in the region of the faces of the cube 2, the incident radiation wave front is distorted and becomes concave, which leads to its subsequent focusing.
Для того чтобы придать криволинейную форму локальной области фокусировки (акустический крюк) 5, нужно изменить параметры фазового волнового фронта внутри кубоида 2. Это достигается выполнением кубоидной частицы 2 с величиной ребра кубоида, равного (0,9-1,3)Nλ, где N – целое число, λ – длина волны используемого излучения в среде из двух частей в форме правильных треугольных призм 3, 4 сопряженных по диагонали и выполненных из материалов с различными показателями преломления. Акустический крюк 5 формируется вблизи теневой поверхности кубоидной частицы 2.In order to give a curvilinear shape to the local focus area (acoustic hook) 5, it is necessary to change the parameters of the phase wave front inside the cuboid 2. This is achieved by making the cuboid particle 2 with the cuboid edge value equal to (0.9-1.3) Nλ , where N is an integer, λ is the wavelength of the radiation used in a medium of two parts in the form of regular
Исследования показали, что для обеспечения условия формирования акустического крюка величина оптического контраста первой правильной призмы 3 должна находиться в диапазоне от 1,4 до 1,75, а показатель преломления материала второй правильной треугольной призмы 4 должен быть меньше показателя преломления материала первой правильной треугольной призмы 3 в 0,8-1,2 раз. Вне этого диапазона акустический крюк либо перестает обладать фокусирующими свойствами, либо практически не искривляется.Studies have shown that to ensure the formation of an acoustic hook, the optical contrast of the first regular prism 3 should be in the range from 1.4 to 1.75, and the refractive index of the material of the second regular
В результате дифракции акустической волны на углах кубоида и интерференции волн прошедших через устройство фокусировки 2 формируется область фокусировки 5 в форме акустического крюка.As a result of the diffraction of an acoustic wave at the corners of the cuboid and the interference of waves passing through the focusing device 2, the focusing
Выполнение решетки параллельных пластин равной толщины и расположенных под углом α к падающему излучению, с расстоянием между пластинами не более λ/2, позволяет упростить устройство и сохранить постоянным расстояние между пластинами. Толщина пластин определяет прочность фокусирующего устройства и может быть равной порядка 0.1λ. The implementation of a lattice of parallel plates of equal thickness and located at an angle α to the incident radiation, with a distance between the plates no more than λ /2, allows you to simplify the device and keep the distance between the plates constant. The thickness of the plates determines the strength of the focusing device and can be on the order of 0.1 λ.
Уменьшение расстояния между пластинами менее λ/2 позволяет более точно аппроксимировать требуемый эффективный показатель преломления. В данном устройстве расстояние между пластинами было выбрано равным λ/8, а толщина 0,08 λ. Reducing the distance between the plates lessλ/2 allows a more accurate approximation of the required effective refractive index. In this device, the distance between the plates was chosen equal toλ/8,A thickness 0.08λ.
Характерно, что акустический крюк имеет свою длину менее длины волны используемого излучения.Characteristically, the acoustic hook has its length less than the wavelength of the radiation used.
Известно, что для классических идеальных линз, поперечный размер области фокусировки, вследствие фундаментальных дифракционных ограничений не может быть меньше половины длины волны [Борн М. Вольф Э. Основы оптики. Изд. 2-е. Перевод с английского. Главная редакция физико-математической литературы изд-ва «Наука», 1973].It is known that for classical ideal lenses, the transverse size of the focusing area, due to fundamental diffraction limitations, cannot be less than half the wavelength [Born M. Wolf E. Fundamentals of optics. Ed. 2nd. Translation from English. The main edition of the physical and mathematical literature of the publishing house "Nauka", 1973].
Для мезоразмерных частиц с соблюдений требований на величину оптического контраста размеры формируемых акустических струй в продольном направлении составляют от долей до нескольких длин волн излучения, в поперечном – до длины волны излучения, т.е. меньше классического дифракционного предела [C. Rubio, D. Tarrazo-Serrano, O. V. Minin, A. Uris, and I. V. Minin, Acoustical hooks: A new subwavelength self-bending beam // Results Phys. 16, 102921 (2020); X. M. Ren, Q. X. Zhou, Z. Xu, and X. J. Liu, Acoustic hook beam lens for particle trapping // Appl. Phys. Express 13, 064003 (2020)], что делает их незаменимыми в ряде приложений, включая микроскопы.For mesosized particles, subject to the requirements for the optical contrast, the dimensions of the formed acoustic jets in the longitudinal direction range from fractions to several wavelengths of radiation, in the transverse direction - up to the wavelength of radiation, i.e. less than the classical diffraction limit [C. Rubio, D. Tarrazo-Serrano, O. V. Minin, A. Uris, and I. V. Minin, Acoustical hooks: A new subwavelength self-bending beam // Results Phys. 16, 102921 (2020); X. M. Ren, Q. X. Zhou, Z. Xu, and X. J. Liu, Acoustic hook beam lens for particle trapping, Appl. Phys. Express 13, 064003 (2020)], which makes them indispensable in a number of applications, including microscopes.
Таким образом, предлагаемое устройство фокусировки излучения обеспечивает фокусировку в криволинейную область в форме акустического крюка и может быть применимо как в газах, так и в жидкостях, в том числе для фокусировки мощного излучения. Так как материал окружающей среды находится в структуре устройства, а относительный показатель преломления материала устройства зависит только от физической длины параллельных пластин или от угла наклона этих пластин по отношению к падающему излучению, то работоспособность устройства не зависит от скорости звука в окружающей среде.Thus, the proposed radiation focusing device provides focusing into a curvilinear region in the form of an acoustic hook and can be used both in gases and liquids, including for focusing high-power radiation. Since the environmental material is located in the structure of the device, and the relative refractive index of the device material depends only on the physical length of the parallel plates or on the angle of inclination of these plates with respect to the incident radiation, the performance of the device does not depend on the speed of sound in the environment.
Claims (1)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU218305U1 true RU218305U1 (en) | 2023-05-22 |
Family
ID=
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1623791A1 (en) * | 1988-07-26 | 1991-01-30 | Институт микроэлектроники АН СССР | System for focusing acoustic radiation in solid objects |
| RU2091185C1 (en) * | 1995-07-20 | 1997-09-27 | Институт микроэлектроники РАН | Focusing acoustic converter |
| CN1320828C (en) * | 2001-06-18 | 2007-06-06 | 汤姆森特许公司 | Changing playback speed for video presentation recorded in non-progressive frame structure format |
| RU167049U1 (en) * | 2016-05-16 | 2016-12-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" (СГУГиТ) | ACOUSTIC LENS FOR FORMING A FOCUS AREA DIRECTLY FOR THE SHADOW SURFACE |
| WO2021048287A1 (en) * | 2019-09-12 | 2021-03-18 | Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e. V. | Method of creating an optical atom trap and atom trap apparatus, employing an incoherent light field |
| RU2788342C1 (en) * | 2022-04-08 | 2023-01-17 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" | Apparatus for forming a photonic hook |
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1623791A1 (en) * | 1988-07-26 | 1991-01-30 | Институт микроэлектроники АН СССР | System for focusing acoustic radiation in solid objects |
| RU2091185C1 (en) * | 1995-07-20 | 1997-09-27 | Институт микроэлектроники РАН | Focusing acoustic converter |
| CN1320828C (en) * | 2001-06-18 | 2007-06-06 | 汤姆森特许公司 | Changing playback speed for video presentation recorded in non-progressive frame structure format |
| RU167049U1 (en) * | 2016-05-16 | 2016-12-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" (СГУГиТ) | ACOUSTIC LENS FOR FORMING A FOCUS AREA DIRECTLY FOR THE SHADOW SURFACE |
| WO2021048287A1 (en) * | 2019-09-12 | 2021-03-18 | Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e. V. | Method of creating an optical atom trap and atom trap apparatus, employing an incoherent light field |
| RU2788342C1 (en) * | 2022-04-08 | 2023-01-17 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" | Apparatus for forming a photonic hook |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Ma et al. | Acoustic focusing and imaging via phononic crystal and acoustic metamaterials | |
| Christensen et al. | Anisotropic metamaterials for full control of acoustic waves | |
| Minin et al. | The Photonic Hook: From Optics to Acoustics and Plasmonics | |
| RU167049U1 (en) | ACOUSTIC LENS FOR FORMING A FOCUS AREA DIRECTLY FOR THE SHADOW SURFACE | |
| Graciá-Salgado et al. | Negative mass density and ρ-near-zero quasi-two-dimensional metamaterials: Design and applications | |
| Rubio et al. | Acoustical hooks: a new subwavelength self-bending beam | |
| US20140293737A1 (en) | Acousto-optic image capture device | |
| CN203965658U (en) | Long burnt, tight focus surface phasmon lens under a kind of radial polarisation light | |
| CN104090332A (en) | Long-focus tight-focusing surface plasmonic lens under radially polarized beam | |
| RU155915U1 (en) | DEVICE FOR PHOTON JET FORMATION | |
| Legrand et al. | Negative refraction of Lamb modes: A theoretical study | |
| Lee et al. | Singular lenses for flexural waves on elastic thin curved plates | |
| RU218305U1 (en) | Device for focusing radiation into a curved region in the form of an acoustic hook | |
| Marston | Surprises and anomalies in acoustical and optical scattering and radiation forces | |
| Bozhko et al. | Redirection and splitting of sound waves by a periodic chain of thin perforated cylindrical shells | |
| Cheng et al. | Near-field flat focusing mirrors | |
| RU201846U1 (en) | Acoustic lens | |
| Valagiannopoulos et al. | Increasing the electromagnetic attenuation below a quasi-matched surface with use of passive hyperbolic metamaterials | |
| Peng et al. | Easily tunable long photonic hook generated from Janus liquids-filled hollow microcylinder | |
| Akiyama et al. | Elliptically curved acoustic lens for emitting strongly focused finite-amplitude beams: Application of the spheroidal beam equation model to the theoretical prediction | |
| RU2788342C1 (en) | Apparatus for forming a photonic hook | |
| Atalar | A fast method of calculating diffraction loss between two facing transducers | |
| Vos et al. | Light propagation and emission in complex photonic media | |
| RU202522U1 (en) | Acoustic diode (options) | |
| RU2735916C1 (en) | Scanning acoustic microscope |