RU2743192C1 - Controlled acoustic focusing device - Google Patents
Controlled acoustic focusing device Download PDFInfo
- Publication number
- RU2743192C1 RU2743192C1 RU2020118857A RU2020118857A RU2743192C1 RU 2743192 C1 RU2743192 C1 RU 2743192C1 RU 2020118857 A RU2020118857 A RU 2020118857A RU 2020118857 A RU2020118857 A RU 2020118857A RU 2743192 C1 RU2743192 C1 RU 2743192C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- radiation
- focusing device
- meso
- lens
- acoustic
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
- G01N29/04—Analysing solids
Abstract
Description
Изобретение относится к неразрушающему контролю материалов и изделий и может быть использовано при ультразвуковой дефектоскопии и медицинской диагностике с использованием устройств фокусировки излучения с субдифракционным размером с переменным фокусом без использования системы подвижных линз.The invention relates to non-destructive testing of materials and products and can be used in ultrasonic flaw detection and medical diagnostics using devices for focusing radiation with a subdiffractive size with variable focus without using a system of movable lenses.
Известны жидкостные линзы с переменным фокусным расстоянием, получаемые за счет вращения жидкости [А.С. СССР 1296977].Known liquid lenses with variable focal length, obtained by rotating the liquid [A.S. USSR 1296977].
Известна линза с переменным фокусным расстоянием [А.С. СССР 1453358], в которой форма поверхности жидкостной линзы изменяется в зависимости от объема оптически прозрачной жидкости.Known lens with variable focal length [A.S. USSR 1453358], in which the shape of the surface of the liquid lens changes depending on the volume of the optically transparent liquid.
Известна электроуправляемая асферическая линза с переменным фокусным расстоянием [А.С. СССР 489058; Патент РФ 2434230]. Линза с электрическим управлением фокусного расстояния состоит из полой стеклянной линзы, внутрь которой введены электроды и залит, например, раствор серной кислоты. Изменение фокусного расстояния линзы происходит в результате изменения показателя преломления раствора серной кислоты при изменении управляющего напряжения.Known electrically controlled aspherical lens with variable focal length [A.S. USSR 489058; RF patent 2434230]. An electrically controlled focal length lens consists of a hollow glass lens, inside which electrodes are inserted and filled with, for example, a sulfuric acid solution. The change in the focal length of the lens occurs as a result of a change in the refractive index of the sulfuric acid solution when the control voltage changes.
Известно оптическое устройство с изменяемыми оптическими параметрами, которое может быть использовано в производстве миниатюрных объективов с переменным фокусным расстоянием [Патент РФ 2282221, WO 2005/122139]. Устройство содержит контейнер в котором размещено две прозрачные в области рабочих длин волн несмешивающиеся жидкости с различными показателями преломления. Первая является диэлектриком, а вторая обладает свойствами электропроводности. Жидкости взаимодействуют между собой с образованием разделяющей их межфазной поверхности. Кривизна поверхности определяет оптические параметры оптического элемента. Для управления кривизной этой межфазной поверхности контейнер оснащен электродами.Known optical device with variable optical parameters, which can be used in the production of miniature lenses with variable focal length [RF Patent 2282221, WO 2005/122139]. The device contains a container in which there are two immiscible liquids transparent in the range of operating wavelengths with different refractive indices. The first is a dielectric, and the second has electrical conductivity properties. The fluids interact with each other to form an interface separating them. The curvature of the surface determines the optical parameters of the optical element. The container is equipped with electrodes to control the curvature of this interface.
Известно управляемое фокусирующее устройство, описанное в [Patent US №6369954], в котором оптическая поверхность сформирована на границе раздела двух несмешивающихся жидкостей с различными показателями преломления.Known controllable focusing device described in [Patent US No. 6369954], in which the optical surface is formed at the interface of two immiscible liquids with different refractive indices.
Известны устройства с изменяемыми оптическими параметрами, основанные на использовании деформируемых оптических элементов. Например, в устройствах, описанных в [Patent US №5138494; Патент РФ №2234722; Патент РФ №2046388], применен оптический элемент, состоящий из двух линз, первая из которых представляет собой линзу с фиксированными параметрами, а вторая - деформируемую жидкостную линзу с изменяемым оптическими параметрами. Вторая линза с одной стороны ограничена поверхностью первой линзы, а с другой - прозрачной деформируемой мембраной, при этом пространство между мембраной и первой линзой заполнено прозрачной жидкостью постоянного объема. Показатели преломления жидкости, мембраны и первой линзы выбраны как можно ближе друг к другу. Прозрачная деформируемая мембрана заключена в жестком кольцевом ободе, который соединен с периферийной частью первой линзы гибкой перемычкой, дающей возможность для изменения расстояния между ободом мембраны и первой линзой. Изменение расстояния между ободом мембраны и первой линзой осуществляется механическим приводом, например винтовым. При изменении этого расстояния жидкость, заполняющая объем между мембраной и первой линзой, изменяет прогиб мембраны, что приводит к изменению фокусного расстояния оптического элемента.Known devices with variable optical parameters based on the use of deformable optical elements. For example, in the devices described in [Patent US No. 5138494; RF patent No. 2234722; RF Patent No. 2046388], an optical element is used, consisting of two lenses, the first of which is a lens with fixed parameters, and the second is a deformable liquid lens with variable optical parameters. The second lens on one side is limited by the surface of the first lens, and on the other - by a transparent deformable membrane, while the space between the membrane and the first lens is filled with a transparent liquid of constant volume. The refractive indices of the liquid, membrane and the first lens are selected as close to each other as possible. The transparent deformable membrane is enclosed in a rigid annular rim, which is connected to the peripheral part of the first lens by a flexible bridge allowing for changing the distance between the membrane rim and the first lens. The change in the distance between the membrane rim and the first lens is carried out by a mechanical drive, for example, a screw. When this distance changes, the liquid filling the volume between the membrane and the first lens changes the membrane deflection, which leads to a change in the focal length of the optical element.
Известен управляемый фокусирующий элемент, описанный в [Патент РФ №2037164], в котором изменение фокусного расстояния осуществляется под воздействием электрического поля. Это устройство содержит изготовленную из прозрачного диэлектрического материала дискообразную кювету, в полость которой введена капля прозрачной диэлектрической жидкости, например глицерина. Размер полости кюветы в направлении светового потока выбран исходя из величины капиллярной постоянной системы "жидкость - материал кюветы", таким образом, что обеспечивается капиллярный эффект сцепления жидкости со стенками кюветы. В лицевой стенке кюветы (первой со стороны светового потока) выполнена круглая выемка, в зоне которой образуется гибкий деформируемый участок свободной поверхности жидкости - своеобразная жидкая деформируемая линза, кривизна поверхности которой зависит от сил поверхностного натяжения и объемного давления. На наружных поверхностях обеих стенок кюветы, расположенных на пути светового потока, а также на внутренней поверхности лицевой стенки вокруг указанной выемки размещены прозрачные пленочные электроды, например, из In2O3. Эти электроды через схему управления подключены к источнику питания, создающему в пространстве между электродами электрическое поле, которое воздействует на силы поверхностного натяжения и объемного давления в жидкой линзе. В результате воздействия электрического поля жидкая линза деформируется, меняется кривизна ее поверхности и, следовательно, преломляющие свойства, что приводит к изменению фокусного расстояния оптического элемента.Known controlled focusing element, described in [RF Patent No. 2037164], in which the change in focal length is carried out under the influence of an electric field. This device contains a disc-shaped cell made of a transparent dielectric material, into the cavity of which a drop of a transparent dielectric liquid, such as glycerin, is introduced. The size of the cuvette cavity in the direction of the light flux is selected based on the value of the capillary constant of the "liquid - cuvette material" system, so that the capillary effect of adhesion of the liquid to the walls of the cuvette is ensured. A circular recess is made in the front wall of the cuvette (first from the side of the light flux), in the zone of which a flexible deformable section of the free surface of the liquid is formed - a kind of liquid deformable lens, the surface curvature of which depends on the forces of surface tension and volumetric pressure. On the outer surfaces of both walls of the cuvette, located in the path of the light flux, as well as on the inner surface of the front wall around the specified recess, there are transparent film electrodes, for example, made of In 2 O 3 . These electrodes are connected through a control circuit to a power source, which creates an electric field in the space between the electrodes, which acts on the forces of surface tension and volumetric pressure in the liquid lens. As a result of the action of the electric field, the liquid lens is deformed, the curvature of its surface and, consequently, the refractive properties change, which leads to a change in the focal length of the optical element.
Достоинством известных устройств является возможность изменения фокусного расстояния, а недостатком - низкое пространственное разрешение, не достигающего дифракционного предела.The advantage of the known devices is the ability to change the focal length, and the disadvantage is low spatial resolution, which does not reach the diffraction limit.
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].It is known that the fundamental Rayleigh criterion for the resolution of optical systems is that the minimum size of a distinguishable object is slightly less than the wavelength of the radiation used and is fundamentally limited by the diffraction of this radiation [Born M., Wolf E. Fundamentals of optics. - M .: Mir, 1978]. The impossibility of focusing light in free space into a spot with dimensions less than a certain diffraction limit also follows from a relation like the Heisenberg uncertainty relation [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].By overcoming the diffraction limit is meant focusing radiation into a spot with dimensions smaller than that of the Airy spot [M. Born, E. Wolf. Fundamentals of optics. -M .: Mir, 1978].
Проблема "сверхфокусировки" при рассеянии световой волны на прозрачной диэлектрической твердотельной мезоразмерной частицы с различной формой поверхности обсуждались различными научными группами [Minin, I.V. and O.V. Minin. 2016. Diffractive Optics and Nanophotonics: Resolution Below the Diffraction Limit. New York: Springer; Lukiyanchuk, В., R. Paniagua-Dominguez, I. V. Minin, О. V. Minin and Z. Wang. 2017. Refractive index less than two: photonic nanojets yesterday, today and tomorrow. Opt. Mat. Express 7(6): 1820-1847; Minin, I. V., О. V. Minin and Y. Geintz. 2015. Localized EM and photonic jets from non-spherical and non-symmetrical dielectric mesoscale objects: brief review. Annalen der Physik 527(7-8):491-497]. Такие микрочастицы-линзы могут формировать области фокусировки вблизи их теневых поверхностей, называемой фотонной струей. 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]. Фотонная струя характеризуется высоким значением пространственного разрешения до λ/3-λ/4, превышающего дифракционный предел, и высокой интенсивностью излучения.The problem of "superfocusing" when a light wave is scattered by a transparent dielectric solid-state mesoscale particle with different surface shapes has been discussed by various scientific groups [Minin, I.V. and O.V. Minin. 2016. Diffractive Optics and Nanophotonics: Resolution Below the Diffraction Limit. New York: Springer; Lukiyanchuk, B., R. Paniagua-Dominguez, I. V. Minin, O. V. Minin and Z. Wang. 2017. Refractive index less than two: photonic nanojets yesterday, today and tomorrow. Opt. Mat. Express 7 (6): 1820-1847; Minin, I. V., O. V. Minin and Y. Geintz. 2015. Localized EM and photonic jets from non-spherical and non-symmetrical dielectric mesoscale objects: brief review. Annalen der Physik 527 (7-8): 491-497]. Such microparticle lenses can form focusing areas near their shadow surfaces, called a photon jet. A photon jet is a subwavelength radiation focusing region near a dielectric particle. A photon jet occurs in the area of the shadow surface of dielectric microparticles - in the so-called. near diffraction zone and is characterized by strong spatial localization and high intensity of the optical field in the focusing region [A. Heifetzetal. Photonic nano jets // J. Comput. Theor. Nanosci. 2009 September 1; 6 (9): 1979-1992. doi.10.1166 / jctn.2009.1254]. The photonic jet is characterized by high spatial resolution up to λ / 3-λ / 4, which exceeds the diffraction limit, and high radiation intensity.
Акустический диапазон длин волн отличается от электромагнитного диапазона. Скорость звука в жидкостях и газах существенно меньше скорости света, а в твердых телах существует две скорости звука: продольная и поперечная. Размер фокусирующих устройств, в длинах волн используемого излучения существенно меньше, чем для оптических линз и зеркал, поэтому дифракционные явления выражены наиболее сильно.The acoustic wavelength range is different from the electromagnetic wavelength range. The speed of sound in liquids and gases is much less than the speed of light, and in solids there are two speeds of sound: longitudinal and transverse. The size of the focusing devices, in the wavelengths of the radiation used, is significantly smaller than for optical lenses and mirrors, therefore, diffraction phenomena are most pronounced.
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).] введено понятие акустической струи (acoustojets) как аналога эффекта фотонной струи. Акустическая струя возникает только для определенных значений относительной скорости звука в материале звукопроводящей частицы и окружающей среды [Минин И.В., Минин О.В. Сверхразрешение в акустических фокусирующих устройствах // Вестник СГУГИТ, Том 23, №2, 2018, с. 231-244; J.Н. Lopes, М. А. В. Andrade, 
Известна акустическая линза [Патент РФ 167049. Акустическая линза для формирования области фокусировки непосредственно за теневой поверхностью //, Опубликовано: 20.12.2016 Бюл. №35]. Акустическая линза выполнена с возможностью формирования области фокусировки непосредственно за теневой поверхностью. Линза содержит преломляющую среду из акустически проводящего материала, при этом скорость звука в преломляющей среде не превышает скорость звука в окружающей среде больше чем в 2,5 раза. Линза выполнена в виде трехмерной частицы, например, в виде сферы, цилиндра, кубоида, пирамиды с характерными размерами порядка длины волны акустического излучения в среде, с относительной скоростью звука в материале частицы не менее 1,1 и относительным волновым сопротивлением не более 25.Known acoustic lens [RF Patent 167049. Acoustic lens for the formation of the focusing area directly behind the shadow surface //, Published: 20.12.2016 Bull. No. 35]. The acoustic lens is designed to form a focusing area directly behind the shadow surface. The lens contains a refractive medium made of acoustically conductive material, while the speed of sound in the refractive medium does not exceed the speed of sound in the environment by more than 2.5 times. The lens is made in the form of a three-dimensional particle, for example, in the form of a sphere, cylinder, cuboid, pyramid with characteristic dimensions of the order of the wavelength of acoustic radiation in the medium, with a relative speed of sound in the material of the particle of at least 1.1 and a relative wave impedance of at most 25.
Достоинством акустической линзы является возможность сформировать область фокусировки непосредственно за теневой поверхностью с размерами в поперечном (относительно направления распространения излучения) направлении на уровне половинной мощности менее классического дифракционного предела - до четверти длины волны акустического излучения в среде λ, и с протяженностью области фокусировки (1-5)λ, чем достигается повышение локализации сфокусированного акустического поля до субволнового значения.The advantage of an acoustic lens is the ability to form a focusing area directly behind the shadow surface with dimensions in the transverse (relative to the direction of radiation propagation) direction at a half power level of the less classical diffraction limit - up to a quarter of the wavelength of acoustic radiation in a medium λ, and with the length of the focusing area (1- 5) λ, thereby increasing the localization of the focused acoustic field to a subwave value.
Недостатком акустической линзы является невозможность оперативного изменения фокусного расстояния бесконтактным методом.The disadvantage of an acoustic lens is the impossibility of promptly changing the focal length by a non-contact method.
Известна газонаполненная акустическая линза [Патент РФ 170911. Акустическая линза // Опубликовано: 15.05.2017 Бюл. №14] в форме кубоида или сферы. Акустическая линза содержит оболочку из податливого материала, заполненную газом. При этом оболочка выполняется в форме кубика с размером ребра не менее λ/2, а заполняемое вещество оболочки имеет скорость звука относительно скорости звука в окружающей среде, лежащую в диапазоне от 0,5 до 0,83. При таких параметрах акустическая линза формирует на своей теневой стороне акустострую и может работать в звуковом диапазоне длин волн.Known gas-filled acoustic lens [RF Patent 170911. Acoustic lens // Published: 15.05.2017 Byull. No. 14] in the form of a cuboid or sphere. The acoustic lens contains a flexible material envelope filled with gas. In this case, the shell is made in the form of a cube with an edge size of at least λ / 2, and the shell material to be filled has the speed of sound relative to the speed of sound in the environment, lying in the range from 0.5 to 0.83. With these parameters, an acoustic lens forms an acoustical edge on its shadow side and can operate in the sound wavelength range.
Достоинством акустической линзы является высокое формируемое пространственное разрешение.The advantage of an acoustic lens is its high spatial resolution.
Недостатком акустической линзы является невозможность оперативного изменения фокусного расстояния бесконтактным методом.The disadvantage of an acoustic lens is the impossibility of promptly changing the focal length by a non-contact method.
В качестве сред с электрически управляемым показателем преломления в акустике и микроволновом диапазоне могут быть использованы жидкие кристаллы.Liquid crystals can be used as media with an electrically controlled refractive index in acoustics and the microwave range.
Линзы на основе сред с электрически управляемым показателем преломления имеют возможность электрически управлять их фокусирующими характеристиками: фокусным расстоянием, пространственным разрешением.Lenses based on media with an electrically controlled refractive index have the ability to electrically control their focusing characteristics: focal length, spatial resolution.
В качестве прототипа выбрано устройство по патенту [А.С. СССР 920519. Способ управления фокусным расстоянием акустической линзы], состоящее из акустической плоско-выпуклой линзы образованной тонкостенной жесткой оболочкой, заполненной жидким кристаллом и помещенной внутрь магнитной катушки. Управление осуществляется путем подачи напряжения на обмотку катушки.A device under the patent [A.S. USSR 920519. A method for controlling the focal length of an acoustic lens], consisting of an acoustic plano-convex lens formed by a thin-walled rigid shell filled with liquid crystal and placed inside a magnetic coil. The control is carried out by applying voltage to the coil winding.
Оболочка линзы выполнялась из стали Х17Н12М2Т и применялся жидкий кристалл МББА 2 типа, в качестве иммерсионной жидкости использовалась вода. В данном устройстве было достигнуто изменение фокусного расстояния на 30 мм.The lens shell was made of steel Kh17N12M2T and
Достоинством акустической линзы является возможность оперативного изменения фокусного расстояния бесконтактным методом.The advantage of an acoustic lens is the ability to quickly change the focal length by a non-contact method.
Недостатком акустической линзы является низкое формируемое пространственное разрешение, не превышающее дифракционного предела.The disadvantage of an acoustic lens is the low formed spatial resolution, which does not exceed the diffraction limit.
Задачей данного изобретения является разработать управляемое акустическое устройство фокусировки излучения с субдифракционным размером.The objective of the present invention is to develop a controllable acoustic device for focusing radiation with a subdiffractive size.
Техническим результатом является возможность бесконтактным методом управлять фокусирующими свойствами мезоразмерного фокусирующего устройства в акустике с фокусировкой излучения в область с субдифракционным размером.The technical result is the ability to control the focusing properties of a meso-sized focusing device in acoustics with a focusing of radiation into an area with a subdiffraction size using a non-contact method.
Поставленная задача достигается тем, что управляемое акустическое фокусирующее устройство, состоит из акустической плоско-выпуклой линзы образованной тонкостенной жесткой оболочкой, заполненной жидким кристаллом и помещенной внутрь магнитной катушки, согласно изобретению, линза выполнена в форме мезоразмерной частицы с характерным размером не менее λ, где λ длина волны используемого излучения, а заполняемое вещество оболочки имеет скорость звука относительно скорости звука в иммерсионной среде, лежащего в диапазоне от 0,5 до 0,83. Кроме того, мезоразмерная частица имеет форму сферы. Кроме того, мезоразмерная частица имеет форму цилиндра, при падении излучения на его боковую поверхность. Кроме того, мезоразмерная частица имеет форму цилиндра, при падении излучения на его основание. Кроме того, мезоразмерная частица имеет форму кубоида. Кроме того, мезоразмерная частица имеет форму кругового конуса, при падении излучения на его вершину. Кроме того, мезоразмерная частица имеет форму кругового конуса, при падении излучения на его основание.The task is achieved by the fact that a controlled acoustic focusing device consists of an acoustic plano-convex lens formed by a thin-walled rigid shell filled with a liquid crystal and placed inside a magnetic coil, according to the invention, the lens is made in the form of a meso-sized particle with a characteristic size of at least λ, where λ the wavelength of the radiation used, and the shell material being filled has the speed of sound relative to the speed of sound in the immersion medium, lying in the range from 0.5 to 0.83. In addition, the mesoscale particle has the shape of a sphere. In addition, a mesoscale particle has the shape of a cylinder when radiation falls on its lateral surface. In addition, a mesoscale particle has the shape of a cylinder when radiation falls on its base. In addition, the mesoscale particle has the shape of a cuboid. In addition, a mesoscale particle has the shape of a circular cone when radiation falls on its top. In addition, a mesoscale particle has the shape of a circular cone when radiation is incident on its base.
Изобретение поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.
Фиг. 1. Схема управляемого акустического фокусирующего устройства с мезоразмерной частицей в форме сферы (а); в форме цилиндра, при падении излучения на его боковую поверхность (б); форме цилиндра, при падении излучения на его основание (в); в форме кубоида (г); в форме кругового конуса, при падении излучения на его вершину (д); в форме кругового конуса, при падении излучения на его основание (е).FIG. 1. Schematic of a controlled acoustic focusing device with a meso-sized particle in the form of a sphere (a); in the form of a cylinder, when radiation falls on its lateral surface (b); the shape of a cylinder, when radiation falls on its base (c); in the form of a cuboid (g); in the form of a circular cone, when radiation falls on its top (e); in the form of a circular cone, when radiation falls on its base (e).
Обозначения: 1 - падающее акустическое излучение на фокусирующее устройство; 2 - мезоразмерная частица в форме сферы, заполненная жидким кристаллом; 3 - мезоразмерная частица в форме цилиндра, заполненного жидким кристаллом при падении излучения на его боковую поверхность; 4 - мезоразмерная частица в форме цилиндра, заполненного жидким кристаллом при падении излучения на его основание; 5 - мезоразмерная частица в форме кубоида, заполненная жидким кристаллом; 6 - мезоразмерная частица в форме кругового конуса, заполненная жидким кристаллом при падении излучения на его вершину; 7 - мезоразмерная частица в форме кругового конуса, заполненная жидким кристаллом при падении излучения на его основание; 8 - катушка; 9 - иммерсионная среда; 10 - область фокусировки излучения.Designations: 1 - incident acoustic radiation on the focusing device; 2 - a meso-sized particle in the shape of a sphere filled with a liquid crystal; 3 - meso-sized particle in the form of a cylinder filled with a liquid crystal when radiation falls on its lateral surface; 4 - meso-sized particle in the form of a cylinder filled with a liquid crystal when radiation falls on its base; 5 - mesoscale particle in the form of a cuboid, filled with a liquid crystal; 6 - mesoscale particle in the form of a circular cone, filled with a liquid crystal when radiation falls on its top; 7 - mesoscale particle in the form of a circular cone, filled with a liquid crystal when radiation falls on its base; 8 - coil; 9 - immersion environment; 10 - area of focusing of radiation.
Минимальный размер устройства для фокусировки излучения составляет порядка длины волны используемого излучения. При меньшем характерном размере фокусировка излучения не происходит.The minimum size of a device for focusing radiation is on the order of the wavelength of the radiation used. At a smaller characteristic size, the radiation is not focused.
Работа устройства происходит следующим образом. Акустическое излучение 1 при прохождении через тонкостенную жесткую оболочку с жидким кристаллом 2, 3, 4, 5, 6 или 7 фокусируется в область фокусировки 10. Фокусное расстояние зависит от скорости звука в материале мезоразмерной частицы 2-7. При изменении скорости звука в материале мезоразмерной частицы 2-7 относительно скорости звука в иммерсионной среде 9 примерно до 0,83 область фокусировки смещается от теневой поверхности частицы и пространственное разрешение приближается к дифракционному пределу. А при уменьшении менее 0,5 - смещается внутрь тела частицы.The device operates as follows.
При регулировании напряжения U на зажимах катушки 8, изменяется напряженность магнитного поля внутри катушки с мезоразмерной частицей 2-7 и в жидком кристалле, что изменяет ориентацию молекул в нем скорость звука. В результате изменяется показатель преломления жидкого кристалла и фокусное расстояние фокусирующего устройства.When regulating the voltage U at the terminals of the
Оболочка мезоразмерной частицы может быть выполнена, например, из стали Х17Н12М2Т или рексолита. Целесообразно выбирать материал с величиной импеданса близкого к импедансу иммерсионной среды.The shell of a meso-sized particle can be made, for example, of steel X17N12M2T or rexolite. It is advisable to choose a material with an impedance value close to the impedance of the immersion medium.
Известно, что нематические жидкие кристаллы обладают анизотропией скорости звука [В.П. Романов, С.В. Ульянов. Анизотропия скорости звука в нематической фазе жидких кристаллов // Акустический журнал, 1991, т 37, Вып. 2, с. 386-394; А.С. Кашицын. Акустическая и диэлектрическая релаксация в жидких кристаллах // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2008, No 6, с. 53-58].It is known that nematic liquid crystals have anisotropy of the speed of sound [V.P. Romanov, S.V. Ulyanov. Anisotropy of the speed of sound in the nematic phase of liquid crystals // Acoustic journal, 1991, vol. 37, no. 2, p. 386-394; A.S. Kashitsyn. Acoustic and dielectric relaxation in liquid crystals // Bulletin of the Nizhny Novgorod University. N.I. Lobachevsky, 2008, No 6, p. 53-58].
В качестве иммерсионной среды можно применять жидкости или смеси жидкостей для обеспечения необходимой величины относительной скорости звука, например, глицерин (1904 м/с), вода (1493 м/с), киросин (2330 м/с), масло льняное (1772 м/с), масло горчичное (1825 м/с) и т.д.As an immersion medium, liquids or mixtures of liquids can be used to provide the required value of the relative speed of sound, for example, glycerin (1904 m / s), water (1493 m / s), kyrosin (2330 m / s), linseed oil (1772 m / s) s), mustard oil (1825 m / s), etc.
Еще одним достоинством предлагаемого устройства, является возможность его применения в микроволновом диапазоне и на террагерцах. Пример анизотропных параметров типичного нематического жидкого кристалла (Е7) в СВЧ и терагерцовом диапазоне приведен в таблице 1 [Iam Choon Khoo and Shuo Zhao. Multiple Time Scales Optical Nonlinearities of Liquid Crystals for Optical-Terahertz-Microwave Applications // Progress In Electromagnetics Research, Vol. 147, 37-56, 2014].Another advantage of the proposed device is the possibility of its use in the microwave range and on terrahertz. An example of the anisotropic parameters of a typical nematic liquid crystal (E7) in the microwave and terahertz range is given in Table 1 [Iam Choon Khoo and Shuo Zhao. Multiple Time Scales Optical Nonlinearities of Liquid Crystals for Optical-Terahertz-Microwave Applications // Progress In Electromagnetics Research, Vol. 147, 37-56, 2014].
В этом случае, в качестве иммерсионной среды выступает воздух с показателем преломления равным единице.In this case, air with a refractive index equal to one acts as an immersion medium.
Claims (7)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020118857A RU2743192C1 (en) | 2020-06-01 | 2020-06-01 | Controlled acoustic focusing device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020118857A RU2743192C1 (en) | 2020-06-01 | 2020-06-01 | Controlled acoustic focusing device |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2743192C1 true RU2743192C1 (en) | 2021-02-16 |
Family
ID=74666155
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2020118857A RU2743192C1 (en) | 2020-06-01 | 2020-06-01 | Controlled acoustic focusing device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2743192C1 (en) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3927557A (en) * | 1974-05-30 | 1975-12-23 | Gen Electric | Acoustic imaging apparatus with liquid-filled acoustic corrector lens |
| SU920519A1 (en) * | 1980-07-07 | 1982-04-15 | Всесоюзный заочный машиностроительный институт | Method of controlling acoustic lens focal distance |
| US5419335A (en) * | 1992-09-04 | 1995-05-30 | Siemens Aktiengesellschaft | Acoustic lens |
| 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 |
| RU170911U1 (en) * | 2016-09-14 | 2017-05-15 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" (СГУГиТ) | Acoustic lens |
| RU176516U1 (en) * | 2017-04-13 | 2018-01-22 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" (СГУГиТ) | High-intensity focused ultrasound device for scanning and treating tumors |
-
2020
- 2020-06-01 RU RU2020118857A patent/RU2743192C1/en active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3927557A (en) * | 1974-05-30 | 1975-12-23 | Gen Electric | Acoustic imaging apparatus with liquid-filled acoustic corrector lens |
| SU920519A1 (en) * | 1980-07-07 | 1982-04-15 | Всесоюзный заочный машиностроительный институт | Method of controlling acoustic lens focal distance |
| US5419335A (en) * | 1992-09-04 | 1995-05-30 | Siemens Aktiengesellschaft | Acoustic lens |
| 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 |
| RU170911U1 (en) * | 2016-09-14 | 2017-05-15 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" (СГУГиТ) | Acoustic lens |
| RU176516U1 (en) * | 2017-04-13 | 2018-01-22 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" (СГУГиТ) | High-intensity focused ultrasound device for scanning and treating tumors |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Tseng et al. | Metalenses: advances and applications | |
| US9105978B2 (en) | Metamaterial surfaces | |
| EP1766608B1 (en) | Acoustic device with variable focal length | |
| JP4974677B2 (en) | Variable shape lens | |
| JP4658943B2 (en) | Variable lens | |
| KR20060134132A (en) | Variable mirror | |
| US8564884B2 (en) | Reconfigurable, non-oscillating liquid lens and imaging systems | |
| Lu et al. | Tunable dielectric liquid lens on flexible substrate | |
| Muelas-Hurtado et al. | Active-spiral Fresnel zone plate with tunable focal length for airborne generation of focused acoustic vortices | |
| CN100476497C (en) | Adjustable reflector, optical equipment and manufacturing method thereof | |
| RU2743192C1 (en) | Controlled acoustic focusing device | |
| Su et al. | Real-time electro-optical tunable hyperlens under subwavelength scale | |
| Hashimoto et al. | Varifocal concave–convex lens using viscoelastic gel and ultrasound vibration | |
| Pan et al. | Actuating fluid–fluid interfaces for the reconfiguration of light | |
| Koyama et al. | Liquid lens using acoustic radiation force | |
| Zhu et al. | Tunable flat lens based on microfluidic reconfigurable metasurface | |
| CN111796347B (en) | Liquid variable-focus lens based on piezoelectric actuation and driving method | |
| RU2790963C1 (en) | Method for focusing electromagnetic radiation | |
| RU201846U1 (en) | Acoustic lens | |
| RU2618600C1 (en) | Acoustical lens | |
| RU218305U1 (en) | Device for focusing radiation into a curved region in the form of an acoustic hook | |
| Gao et al. | On-demand liquid microlens arrays by non-contact relocation of inhomogeneous fluids in acoustic fields | |
| Treffer et al. | MEMS axicons for nondiffracting line shaping of ultrashort pulses | |
| JP2011232506A (en) | Variable-focus liquid lens and focus control method thereof | |
| Minin et al. | A Method to Improve the Resolution of the Acoustic Microscopy |