RU2774641C1 - Линза Мининых - Google Patents
Линза Мининых Download PDFInfo
- Publication number
- RU2774641C1 RU2774641C1 RU2021121394A RU2021121394A RU2774641C1 RU 2774641 C1 RU2774641 C1 RU 2774641C1 RU 2021121394 A RU2021121394 A RU 2021121394A RU 2021121394 A RU2021121394 A RU 2021121394A RU 2774641 C1 RU2774641 C1 RU 2774641C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- lens
- plates
- radiation
- focusing
- terahertz
- Prior art date
Links
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 16
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 16
- 230000003287 optical Effects 0.000 claims abstract description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 3
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 description 7
- 239000000463 material Substances 0.000 description 7
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 239000012237 artificial material Substances 0.000 description 2
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 2
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 2
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 2
- 244000180534 Berberis hybrid Species 0.000 description 1
- 239000004698 Polyethylene (PE) Substances 0.000 description 1
- 239000004809 Teflon Substances 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 238000005253 cladding Methods 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 238000009699 high-speed sintering Methods 0.000 description 1
- 230000036039 immunity Effects 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 239000011859 microparticle Substances 0.000 description 1
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- -1 polyethylene Polymers 0.000 description 1
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 description 1
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 description 1
- 238000004663 powder metallurgy Methods 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 230000002194 synthesizing Effects 0.000 description 1
- 210000001519 tissues Anatomy 0.000 description 1
- 238000004073 vulcanization Methods 0.000 description 1
Images
Abstract
Изобретение относится к антенной технике, а именно к устройствам для фокусировки радиоволн терагерцового и миллиметрового диапазонов. Техническим результатом является создание линзы с плоскими поверхностями и малыми габаритами, сохраняющей работоспособность в акустике. Технический результат достигается тем, что линза, состоящая из решетки последовательно расположенных плоских параллельных металлических пластин, установленных под углом к падающему излучению и с одинаковыми расстояниями между пластинами, отличается тем, что выполнена в форме кубоида с величиной ребра не менее , где - длина волны используемого излучения, в котором размещены металлические плоские пластины, изогнутые под одинаковым углом, с соосно расположенными их вершинами и расположенные вдоль оптической оси линзы, с расстоянием между пластинами не более и эффективным показателем преломления, лежащим в диапазоне примерно от 1,4 до 2. 2 ил.
Description
Изобретение относится к антенной технике, а именно к устройствам для фокусировки радиоволн терагерцового и миллиметрового диапазонов.
Терагерцовый (ТГц) диапазон частот электромагнитного спектра лежит между инфракрасным диапазоном и областью миллиметровых длин волн. Граница ТГц диапазона в настоящее время точно не определена. В более широкой интерпретации ТГц диапазон занимает область частот от 100 ГГц до 10 ТГц или диапазон длин волн от 3 мм до 30 мкм.
ТГц диапазон применяется в различных областях науки и технике, в устройствах дефектоскопии, интроскопии и системах радиовидения, ведутся исследования процессов взаимодействия ТГц излучения с различными материалами, например, биологическими тканями, в медицине, в системах связи.
Микроволновые фокусирующие устройства используются для повышения плотности электромагнитной энергии в области фокусировки мощного электромагнитного излучения при высокоскоростном спекании компактированных керамических материалов, включая нанокерамику, при получении новых керамических материалов и изделий порошковой металлургии (металлокерамики), в устройствах формирования и вулканизации покрышек пневматических шин с использованием для нагрева СВЧ энергии, в устройствах термического прессования резинотехнических изделий, например, в процессе вулканизации фрикционных тормозных накладок автомобилей, в экспериментальной физике и т.д.
Известны диэлектрические линзы с различной формой поверхности: двояковыпуклые, двояковогнутые, плоско-выпуклые для фокусировки терагерцового и миллиметрового излучения, например, изготовленные из полиэтилена, фторопласта (тефлон), кремния [Yat Hei Lo, Rainer Leonhardt. Aspheric lenses for terahertz imaging // Optic Express. – 2008. – Vol. 16, No. 20. – P. 15991–15998; Dewey R. J. Design considerations for millimeter wave lens antennas // The Radio and Electronic Engineer. – 1982. – Vol. 52. – P. 551–558; Cloutier G. G., Bekefi G. Scanning characterisitcs of microwave aplanatic lenses // IRE Transactions on Antennas and Propagation. – 1957. – Vol. AP-5, P. 391–396.]. Форма поверхности линзы может быть достаточно сложной, например, плоско-гиперболической либо эллиптическо-асферической и т.д. Кроме того, для эффективной фокусировки излучения линза должна иметь большой относительный диаметр (D/λ) не менее 10–20.
Недостатком таких линз являются их большие поперечные размеры, значительно превышающие используемую длину волны излучения, низкое пространственное разрешение, сложность изготовления прецизионных поверхностей и отсутствие в них плоских рабочих поверхностей, а также невозможность их использования для фокусировки мощного электромагнитного излучения.
Создание линз для работы в терагерцовом диапазоне длин волн затруднено тем обстоятельством, что существует лишь небольшое количество веществ с малыми потерями энергии в материале и с требуемым показателем преломления [Nazarov M. M., Shilov A. V., Bzheumikhov K. A., Margushev Z. C., Sokolov V. I., Sotsky A. B., Shkurinov A. P. Eight-capillary cladding THz waveguide with low propagation losses and dispersion // IEEE Trans. Terahertz Sci. Technol. – 2018. – Vol. 8. – P. 183–191; Ali S., Ahmed N., Aljunid S., Ahmad B. Hybrid porous core low loss dispersion flattened fiber for THz propagation // Photon. Nanostruct. – 2016. – Vol. 22. – P. 18–23.].
Выходом из создавшейся ситуации может быть использование искусственных материалов. Терагерцовые линзы могут быть изготовлены из искусственных или метаматериалов.
Известны терагерцовые линзы выполненные из различных метаматериалов, например, [J. Neu, B. Krolla, O. Paul, B. Reinhard, R. Beigang, and M. Rahm, Metamaterial-based gradient index lens with strong focusing in the THz frequency range, // Opt. Express 18, 27748–27757 (2010); G. Savini, P. A. R. Ade, and J. Zhang, A new artificial material approach for flat THz frequency lenses // Opt. Express 20, 25766– 25773 (2012); Y. Takebayashi, T. Konno, S. Shimada, F. Miyamaru, J. C. Young, H. Kitahara, K. Takano, M. Hangyo, and T. Suzuki, Focusing effect measurements of artificial dielectric multilayer lens with metal rectangular chips for terahertz wave band // Appl. Phys. A 115, 501–508 (2014); D. Hu, X. Wang, S. Feng, J. Ye, W. Sun, Q. Kan, P. J. Klar, and Y. Zhang, Ultrathin terahertz planar elements // Adv. Opt. Mater. 1, 186– 191 (2013); X.-Y. Jiang, J.-S. Ye, J.-W. He, X.-K. Wang, D. Hu, S.-F. Feng, Q. Kan, and Y. Zhang, An ultrathin terahertz lens with axial long focal depth based on metasurfaces // Opt. Express 21, 30030–30038 (2013); S.-G. Park, K. Lee, D. Han, J. Ahn, and K.-H. Jeong, Subwavelength silicon through-hole arrays as an all-dielectric broadband terahertz gradient index metamaterial // Appl. Phys. Lett. 105, 091101 (2014); Q. Yang, J. Gu, D. Wang, X. Zhang, Z. Tian, C. Ouyang, R. Singh, J. Han, and W. Zhang, Efficient flat metasurface lens for terahertz imaging // Opt. Express 22, 25931–25939 (2014); T. Togashi, H. Kitahara, K. Takano, M. Hangyo, M. Mita, J. C. Young, and T. Suzuki, Terahertz path-length lens composed of oblique metal slit array // Appl. Phys. A 118, 397–402 (2015)].
Недостатком линз из метаматериалов является использование резонансной среды, а также их большие поперечные размеры, значительно превышающие используемую длину волны излучения.
Известна металлопластинчатая плоско вогнутая, плоско выпуклая или вогнутая вогнутая c гиперболическими поверхностями линза [Patent US 2684724, Sound wave refraction; Patent US 2596251, Wave guide lens system; Patent US 2576463, Metallic lens antenna; V. M. Astapenya and V. Yu. Sokolov. Modified Accelerating Lens as a Means of Increasing the Immunity Systems of IEEE 802.11 systems // International Conference on Antenna Theory and Techniques, 21-24 April, 2015, Kharkiv, Ukraine, pp. 267-269.].
Эффективный показатель преломления N такой среды зависит только от угла наклона θ пластин:
N=1/cosθ.
Эффект фокусировки достигается за счет физического увеличения пути распространения электромагнитной волны между параллельными пластинами по сравнению со свободным пространством. Такая искусственная среда имеет эффективный показатель преломления, который зависит только от угла наклона пластин [Kock W. E. Metal-lens antennas // Proc. IRE. – 1946. – Vol. 34. – P. 828–836; Kock W. E. Metallic Delay Lenses // Bell System Technical Journal. – 1948. – Vol. 27. – Р. 58–82.]. В таблице приведены значения эффективного показателя преломления Nэф от угла наклона пластин.
Таблица
Значения эффективного показателя преломления Nэф от угла наклона пластин
Эф. показатель преломления, Nэф | 1 | 1,02 | 1,06 | 1,15 | 1,31 | 1,56 | 1,74 | 2 |
Угол наклона пластин | 0 | 10 | 20 | 30 | 40 | 50 | 55 | 60 |
Достоинством известных линз является их простота и прочность, и использование не резонансной среды по сравнению с известными метаматериалами.
Недостатком линзы является сложность ее поверхности, большие габариты.
В качестве прототипа выбрано устройство линзы приведенное в [Takehito Suzuki, Masashi Sekiya, Hideaki Kitahara. Terahertz beam focusing through designed oblique metal-slit array // Applied Optics. – 2019. – Vol. 58, No. 15. – Р. 4007–4013.]. Известная металлопластинчатая линза с плоско-выпуклой гиперболической поверхностью, образованная решеткой последовательно расположенных плоских параллельных металлических пластин установленных под углом к падающему излучению и с одинаковыми расстояниями между пластинами. Линза предназначена для фокусировки терагерцового излучения и имела диаметр 17λ, где λ длина волны используемого излучения. Металлические наклонные пластины были покрыты золотом и образовывали среду с эффективным показателем преломления равным 1,31 на частоте 0,5 ТГц.
Недостатком линзы является сложность ее поверхности, большие габариты.
Задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков, а именно разработка устройства линзы с плоскими поверхностями и малыми габаритами.
Указанная задача достигается тем, что линза, состоящая из решетки последовательно расположенных плоских параллельных металлических пластин установленных под углом к падающему излучению и с одинаковыми расстояниями между пластинами, новым является то, что линза выполнена в форме кубоида с величиной ребра не менее λгде λ – длина волны используемого излучения, в котором размещены металлические плоские пластины изогнутые под одинаковым углом с соосно расположенными их вершинами и расположенные вдоль оптической оси линзы, с расстоянием между пластинами не более 0,5λ и эффективным показателем преломления лежащем в диапазоне примерно от 1,4 до 2.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 приведена схема устройства.
На фиг. 2 приведены результаты численного моделирования фокусировки электромагнитного излучения с частотой 150 ГГц металлопластинчатой кубоидной линзой с величиной ребра равного 3λ и расстоянием между пластинами равным 0,4λ.
Обозначения: 1 - падающее на линзу электромагнитное излучение, 2 – линза в форме кубоида, 3 - массив соосных и последовательно расположенных изогнутых под одним углом пластин, 4 – область фокусировки электромагнитного излучения.
В результате проведенных исследований было установлено, что терагерцовая кубоидная линза с размером ребра 3λ, состоящая из металлической решетки, составленная из полос равной толщины и наклоненных по отношению к падающему излучению, не формирует симметричную область фокусировки излучения, которая расположена вдоль оптической оси линзы.
Аналогичная терагерцовая кубоидная линза из однородного диэлектрика обеспечивает фокусировку излучения. Область фокусировки излучения возникает непосредственно на теневой поверхности линзы, имеет симметричный вид и расположена вдоль ее оптической оси.
Заявляемая линза работает следующим образом. Освещающее излучение 1 падает на линзу в форме кубоида 2, образованного массивом соосных и последовательно расположенных металлических плоских пластин, изогнутых под одинаковым углом с соосно расположенными их вершинами и расположенные вдоль оптической оси линзы 3. Электромагнитная волна, проходя больший пусть вдоль поверхности пластин, имеет больший эффективный показатель преломления, чем при распространении излучения вдоль поверхности кубоидной линзы. Особенностью линзы является то, что вещество окружающее линзу 2 находится и между массивом соосных, и последовательно расположенных пластин изогнутых под одним углом 3 и эффективный показатель преломления материала линзы не зависит от показателя преломления окружающей среды. В результате дифракции электромагнитной освещающей волны на кубоидной линзе, ее углах и интерференции волн прошедших через линзу формируется область фокусировки 4.
В результате численного моделирования и экспериментального исследования было установлено, что фокусировка излучения не происходит при размере ребра кубоидной линзы менее λ.
При моделировании работы устройства, расстояние между изогнутыми пластинами выбиралось менее λ/2, равным, примерно 0,4λ. При уменьшении расстояния между пластинами увеличивается «однородность» такого материала. При увеличении расстояния между соосными конусами более 0,5 λ уменьшалась интенсивность формируемой области фокусировки.
Результаты исследований показали, что фокусировка электромагнитного излучения металлопластинчатой кубоидной линзой происходит в случае, когда излучение падает на вогнутую сторону изогнутых пластин, так и на их выпуклую сторону. Фокусировка излучения сохраняется в широком диапазоне изменения эффективного показателя преломления материала искусственной среды. Но качество фокусировки излучения различно.
В случае падения освещающего излучения на кубоидную линзу со стороны вогнутой поверхности решетки пластин наблюдаются интенсивные боковые лепестки излучения и область фокусировки формируется на расстоянии от теневой поверхности линзы.
В случае падения освещающего излучения на кубоидную линзу со стороны выпуклой поверхности решетки изогнутых пластин наблюдается область фокусировки излучения формируемой непосредственно на теневой поверхности линзы. В этом смысле такую линзу можно рассматривать как фокусирующую янус-частицу [Perro A., Reculusa S., Ravaine S. et al Design and synthesis of Janus micro- and nanoparticles // J. Mater. Chem. 2005. V. 15. P. 3745-3760.].
Нижняя граница эффективного показателя преломления материала линзы примерно равно 1,4. При показателе преломления менее 1,4 формируется область фокусировки с разрешением примерно равным менее дифракционного предела. Верхняя граница эффективного показателя преломления материала линзы примерно равна 2. При показателе преломления более 2 область фокусировки смещается внутрь тела линзы.
Линза может быть изготовлена, например, известным способом изготовления металлопластинчатых линз путем гальванического наращивания металла, последующего его травления и обработки рабочих поверхностей [А.С. СССР 417757].
Заявляемая линза обеспечивает актуальное расширение приборного арсенала современных фокусирующих систем.
Достигаемый в такой линзе полезный эффект выражается в устройстве линзы с плоскими внешними поверхностями, с минимальным поперечным размером порядка λ и обеспечении возможности фокусировки мощного электромагнитного излучения.
Кроме того, особенностью этой линзы является то, что она сохраняет свою работоспособность и в акустике.
Claims (1)
- Линза, состоящая из решетки последовательно расположенных плоских параллельных металлических пластин, установленных под углом к падающему излучению, и с одинаковыми расстояниями между пластинами, отличающаяся тем, что линза выполнена в форме кубоида с величиной ребра не менее , где - длина волны используемого излучения, в котором размещены металлические плоские пластины, изогнутые под одинаковым углом с соосно расположенными их вершинами и расположенные вдоль оптической оси линзы, с расстоянием между пластинами не более и эффективным показателем преломления, лежащим в диапазоне примерно от 1,4 до 2.
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2774641C1 true RU2774641C1 (ru) | 2022-06-21 |
Family
ID=
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2791826C1 (ru) * | 2022-11-11 | 2023-03-13 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" | Устройство шумозащитного кубоидного экранного элемента |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US2576463A (en) * | 1947-12-30 | 1951-11-27 | Bell Telephone Labor Inc | Metallic lens antenna |
US2596251A (en) * | 1948-10-01 | 1952-05-13 | Bell Telephone Labor Inc | Wave guide lens system |
US2684724A (en) * | 1948-10-01 | 1954-07-27 | Bell Telephone Labor Inc | Sound wave refractor |
RU204699U1 (ru) * | 2020-06-01 | 2021-06-07 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" (СГУГиТ) | СВЧ (КВЧ) электрически управляемое устройство фокусировки излучения с субдифракционным размером |
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US2576463A (en) * | 1947-12-30 | 1951-11-27 | Bell Telephone Labor Inc | Metallic lens antenna |
US2596251A (en) * | 1948-10-01 | 1952-05-13 | Bell Telephone Labor Inc | Wave guide lens system |
US2684724A (en) * | 1948-10-01 | 1954-07-27 | Bell Telephone Labor Inc | Sound wave refractor |
RU204699U1 (ru) * | 2020-06-01 | 2021-06-07 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" (СГУГиТ) | СВЧ (КВЧ) электрически управляемое устройство фокусировки излучения с субдифракционным размером |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2791826C1 (ru) * | 2022-11-11 | 2023-03-13 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" | Устройство шумозащитного кубоидного экранного элемента |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Wu et al. | Terahertz plasmonic high pass filter | |
Maci et al. | Metasurfing: Addressing waves on impenetrable metasurfaces | |
CN108267417B (zh) | 一种基于零阶贝塞尔波束的太赫兹反射成像系统 | |
US20090086322A1 (en) | Photonic Crystal Devices Using Negative Refraction | |
Zhou et al. | Three-dimensional large-aperture lens antennas with gradient refractive index | |
EP2257965A1 (en) | Electromagnetic cloaking and translation apparatus, methods, and systems | |
Ma et al. | Advances in the hyperlens | |
Wang et al. | Resolution of near-field microwave target detection and imaging by using flat LHM lens | |
CN111262038B (zh) | 基于超表面的非衍射波束偏折的平面贝塞尔透镜及方法 | |
RU2591282C1 (ru) | Устройство квазиоптической линии передачи терагерцовых волн | |
Ruphuy et al. | Flat far field lenses and reflectors | |
Matytsine et al. | Large size, lightweight, Luneburg Lenses for multi-beam antenna applications | |
RU174536U1 (ru) | Волноводный излучатель | |
RU2774641C1 (ru) | Линза Мининых | |
Wong et al. | Advances in imaging beyond the diffraction limit | |
RU164738U1 (ru) | Устройство для фокусировки излучения метакубоидной плоской линзой | |
CN208283269U (zh) | 一种基于零阶贝塞尔波束的太赫兹反射成像系统 | |
Ozbey et al. | Effects of internal reflections on the performance of lens-integrated mmW and THz antennas | |
RU161592U1 (ru) | Оптический микродатчик на основе фотонных струй терагерцовых, ик или оптических волн | |
RU2795677C1 (ru) | Мезоразмерная кубоидная пластинчатая линза | |
RU181086U1 (ru) | Линза | |
Pan et al. | A novel high-gain directional lens antenna for terahertz band | |
RU171359U1 (ru) | Интегральная антенна | |
RU2756882C1 (ru) | Устройство для формирования фотонной струи | |
Wang et al. | High-efficiency electromagnetic wave controlling with all-dielectric Huygens’ metasurfaces |