RU2784213C1 - Method for generating higher-order mie resonant modes in mesoscale cavities of a dielectric material - Google Patents
Method for generating higher-order mie resonant modes in mesoscale cavities of a dielectric material Download PDFInfo
- Publication number
- RU2784213C1 RU2784213C1 RU2022125934A RU2022125934A RU2784213C1 RU 2784213 C1 RU2784213 C1 RU 2784213C1 RU 2022125934 A RU2022125934 A RU 2022125934A RU 2022125934 A RU2022125934 A RU 2022125934A RU 2784213 C1 RU2784213 C1 RU 2784213C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- refractive index
- cavity
- dielectric
- mie
- order
- Prior art date
Links
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 title description 24
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 47
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 44
- 239000005447 environmental material Substances 0.000 claims description 11
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims description 4
- 239000002861 polymer material Substances 0.000 claims description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 5
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000011797 cavity material Substances 0.000 description 63
- 230000003287 optical Effects 0.000 description 21
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 8
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 7
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 6
- -1 for example Substances 0.000 description 6
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 6
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 6
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 description 5
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 5
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 5
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 4
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 4
- 238000001459 lithography Methods 0.000 description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- 239000004698 Polyethylene (PE) Substances 0.000 description 3
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 3
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 3
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 description 3
- 230000004807 localization Effects 0.000 description 3
- 239000004005 microsphere Substances 0.000 description 3
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 description 3
- 230000003595 spectral Effects 0.000 description 3
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000004793 Polystyrene Substances 0.000 description 2
- 239000004809 Teflon Substances 0.000 description 2
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 2
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 2
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 2
- 230000014759 maintenance of location Effects 0.000 description 2
- 230000000051 modifying Effects 0.000 description 2
- 230000005658 nuclear physics Effects 0.000 description 2
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 2
- 229920002223 polystyrene Polymers 0.000 description 2
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 description 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- 241000931526 Acer campestre Species 0.000 description 1
- JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N AsGa Chemical compound [As]#[Ga] JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241000322409 Brunfelsia pauciflora Species 0.000 description 1
- 241000125183 Crithmum maritimum Species 0.000 description 1
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- 101710024013 POU3F1 Proteins 0.000 description 1
- 239000004743 Polypropylene Substances 0.000 description 1
- 241000785684 Sander lucioperca Species 0.000 description 1
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910002367 SrTiO Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011358 absorbing material Substances 0.000 description 1
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 1
- 230000001427 coherent Effects 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 239000002178 crystalline material Substances 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 1
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004880 explosion Methods 0.000 description 1
- 229920002313 fluoropolymer Polymers 0.000 description 1
- 229910052839 forsterite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000006112 glass ceramic composition Substances 0.000 description 1
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 1
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 1
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium(0) Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000004435 hydrogen atoms Chemical class [H]* 0.000 description 1
- 238000003913 materials processing Methods 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 1
- 239000011859 microparticle Substances 0.000 description 1
- 238000004476 mid-IR spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 238000005329 nanolithography Methods 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 239000005304 optical glass Substances 0.000 description 1
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 1
- 229920000306 polymethylpentene Polymers 0.000 description 1
- 239000011116 polymethylpentene Substances 0.000 description 1
- 229920001155 polypropylene Polymers 0.000 description 1
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 1
- 229910052904 quartz Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к способам генерации резонансных мод Ми высокого порядка в мезоразмерных полостях диэлектрического материала и может быть использовано для получения сильной локализации электромагнитных полей в области сравнимой с длиной волны, использовано в качестве элементов сенсоров, элементов нано-антенн.The invention relates to methods for generating high-order Mie resonant modes in mesodimensional cavities of a dielectric material and can be used to obtain strong localization of electromagnetic fields in a region comparable to the wavelength, used as sensor elements, nano-antenna elements.
Мезоразмерные сферические диэлектрические частицы с параметром размера Ми q=ka (где k, a соответственно волновое число и радиус сферической частицы) порядка 10 [Luk`yanchuk B., Paniagua-Domınguez R., Minin I.V., Minin O.V., Wang Z. Refractive index less than two: Photonic nanojets yesterday, today and tomorrow // Optical Materials Express. 2017. Vol. 7. No. 6. P. 1820 - 1847; Minin O. V., and Minin I. V. Optical Phenomena in Mesoscale Dielectric Particles // Photonics. 2021. Vol. 8. No. 12; Minin, O. V., and Minin, I. V., Optical Phenomena in Mesoscale Dielectric Particles, // Photonics, 8(12), (2021)] занимают малоисследованную нишу между наночастицами (q<1) и частицами, для которых справедлива геометрическая оптика (q~100). Mesodimensional spherical dielectric particles with size parameter Miq=ka (wherek, a wave number and radius of a spherical particle, respectively) of the order of 10 [Luk`yanchuk B., Paniagua-Domınguez R., Minin I.V., Minin O.V., Wang Z. Refractive index less than two: Photonic nanojets yesterday, today and tomorrow // Optical Materials Express . 2017 Vol. 7. No. 6. P. 1820 - 1847; Minin O. V., and Minin I. V. Optical Phenomena in Mesoscale Dielectric Particles // Photonics. 2021 Vol. 8. No. 12; Minin, O. V., and Minin, I. V., Optical Phenomena in Mesoscale Dielectric Particles, // Photonics,8(12), (2021)] occupy a little-studied niche between nanoparticles (q<1) and particles for which geometric optics is valid (q~100).
Из технической литературы, например, [Luky’anchuk, B. S., Wang, Z. B., Song, W. D. & Hong, M. H. 3D-effects in dry laser cleaning. Applied Physics A 79, 747-751 (2004); Luky’anchuk, B. S., Arnold, N., Huang, S. M., Wang, Z. B. & Hong, M. H. Three-dimensional effects in dry laser cleaning. Applied Physics A 77, 209-215 (2003)] известно, что гигантское усиление напряженности поля в диэлектрических сферах определенных размеров иногда наблюдалось в виде взрыва нескольких сфер при первоначальном исследовании лазерной очистки микро/наночастиц со случайными размерами.From the technical literature, for example, [Luky'anchuk, B. S., Wang, Z. B., Song, W. D. & Hong, M. H. 3D-effects in dry laser cleaning. Applied Physics A 79, 747-751 (2004); Luky'anchuk, B. S., Arnold, N., Huang, S. M., Wang, Z. B. & Hong, M. H. Three-dimensional effects in dry laser cleaning. Applied Physics A 77, 209-215 (2003)] it is known that a giant amplification of the field strength in dielectric spheres of certain sizes was sometimes observed as an explosion of several spheres in the initial study of laser cleaning of micro/nanoparticles with random sizes.
Диэлектрические микросферы с определенными параметрами размера могут стимулировать чрезвычайно большую напряженность поля в сингулярностях, а затем образовывать две круглые горячие точки вокруг полюсов сферы и могут поддерживать так называемые «суперрезонансные моды» [Z. B. Wang, B. Luk’yanchuk, L. Yue, B. Yan, J. Monks, R. Dhama, O. V. Minin, I. V. Minin, S. M. Huang, and A. A. Fedyanin, High order Fano resonances and giant magnetic fields in dielectric microspheres, // Scientific Reports 9, 20293 (2019); L. Yue, Z. Wang, B. Yan, J. Monks, Y. Joya, R. Dhama, O.V. Minin, and I. V. Minin, Super-Enhancement Focusing of Teflon Spheres // Ann. Phys. (Berlin) 532, 2000373 (2020); L. Yue, B. Yan, J. N. Monks, R. Dhama, C. Jiang, O. V. Minin, I. V. Minin, and Z. Wang. Full three-dimensional Poynting vector analysis of great field-intensity enhancement in a specifically sized spherical-particle. // Sci Rep 9, 20224 (2019)], что отличается от других типов резонансов [Conwell, P., Barber, P., Rushforth, C. Resonant spectra of dielectric spheres, // J. Opt. Soc. Am. A, 1(1), 62 (1984); P. Chýlek, J. D. Pendleton, and R. G. Pinnick, Internal and near-surface scattered field of a spherical particle at resonant conditions, // Appl. Opt. 24, 3940-3942 (1985); Y. Duan, G. Barbastathis, and B. Zhang, Classical imaging theory of a microlens with super-resolution, // Opt. Lett. 38, 2988-2990 (2013); S. Zhou, Y. Deng, W. Zhou, M. Yu, H. P. Urbach, Y. Wu. Effects of whispering gallery mode in microsphere super resolution imaging. // Appl. Phys. B 123, 236 (2017)] в таких частицах. Этот резонанс связан с внутренними модами Ми высокого порядка и имеет место при определенных значениях параметра размера частиц, которые могут быть непосредственно получены из строгой аналитической теории Ми [Mie, G. Beiträge zur optik trüber medien, speziell kolloidalermetallösungen, // Ann. Phys. 330, 3, 377-445 (1908).]. В отличие от диэлектрических частиц с радиусом существенно меньше длины волны излучения (в которых оптические свойства обычно обусловлены, как правило, первыми тремя резонансами Ми [A. Kuznetsov, A. Miroshnichenko, M. Brongersma, Y. Kivshar, and B. Luk‘yanchuk, Optically resonant dielectric nanostructures // Science 354, 6314, aag2472 (2016); S. Kruk and Y. Kivshar, Functional meta-optics and nanophotonics governed by Mie resonances // ACS Photonics 4, 2638 (2017); N. Bonod and Y. Kivshar. All-dielectric Mie-resonant metaphotonics // C. R. Physique, 21, (4-5), 425 (2020).]), в диэлектрических частицах c размером более длины волны и до характерных размеров, где начинает работать геометрическая оптика (мезоразмерные частицы), наблюдаются резонансы Ми высокого (≥5) порядка, что приводит к специфическим оптическим явлениям, обусловленным интерференцией широкого спектра всех внутренних мод с одиночной модой внутреннего резонанса высокого порядка.Dielectric microspheres with certain size parameters can stimulate extremely high field strengths at singularities and then form two round hot spots around the poles of the sphere and can support the so-called "superresonance modes" [ZB Wang, B. Luk'yanchuk, L. Yue, B. Yan, J. Monks, R. Dhama, OV Minin, IV Minin, SM Huang, and AA Fedyanin, High order Fano resonances and giant magnetic fields in dielectric microspheres, //
При этом рассматривались сферические диэлектрические частицы, выполненные из материалов с показателем преломления около 1,5, характерного для диэлектриков в оптическом и ТГц диапазонах и расположенных в среде с показателем преломления равным 1.In this case, spherical dielectric particles were considered, made of materials with a refractive index of about 1.5, which is characteristic of dielectrics in the optical and THz ranges and located in a medium with a refractive index of 1.
Известен способ модуляции света, включающий использование субволнового гибридного двумерного массива Ми-резонансных наноструктур из слабопоглощающего материала (k в диапазоне 0,00001…0,01) с высоким показателем преломления (n в диапазоне 2…5) [Патент РФ 2703487, устройство и способ модуляции поляризации света с помощь магнитофотонных метаповерхностей]. При этом могут быть использованы частицы, имеющие различную форму поверхности (включая, но не ограничивая): дисков, сфер, цилиндров, параллелепипедов и кубоидов, а также кластеров таких частиц. Возможность управлять светом на наномасштабах с помощью таких систем обусловлена сильной локализацией в них электромагнитного поля за счет возбуждения резонансов Ми. Известный способ генерации резонансных мод Ми заключается в размещении субволновой диэлектрической сферы в прозрачной для излучения среде с показателем преломления превышающим показатель преломления материала окружающей среды и облучаемой электромагнитной волной. Показатель преломления материала частицы превышает показатель окружающей среды (воздуха n=1) в 2 - 5 раз.A known method of light modulation, including the use of a subwavelength hybrid two-dimensional array of Mie-resonant nanostructures from a weakly absorbing material (k in the range of 0.00001 ... 0.01) with a high refractive index ( n in the range of 2 ... 5) [RF Patent 2703487, device and method modulation of light polarization using magnetophotonic metasurfaces]. In this case, particles having a different surface shape can be used (including, but not limited to): disks, spheres, cylinders, parallelepipeds and cuboids, as well as clusters of such particles. The ability to control light on nanoscales with the help of such systems is due to the strong localization of the electromagnetic field in them due to the excitation of Mie resonances. A well-known method for generating resonant Mie modes consists in placing a subwave dielectric sphere in a medium transparent to radiation with a refractive index exceeding the refractive index of the environmental material and an irradiated electromagnetic wave. The refractive index of the particle material exceeds the index of the environment (air n= 1) by 2 - 5 times.
Известен способ определения примесей в газовоздушных средах и устройство для его реализации [Патент РФ 2751449, оптический сенсор для определения наличия примесей в газовоздушных средах]. Известный способ генерации резонансных мод Ми заключается в размещении субволновой диэлектрической сферы в прозрачной для излучения среде с показателем преломления превышающим показатель преломления материала окружающей среды и облучаемой электромагнитной волной.A known method for determining impurities in gas-air environments and a device for its implementation [RF Patent 2751449, optical sensor for determining the presence of impurities in gas-air environments]. A well-known method for generating resonant Mie modes consists in placing a subwave dielectric sphere in a medium transparent to radiation with a refractive index exceeding the refractive index of the environmental material and an irradiated electromagnetic wave.
Принцип действия оптического сенсора основан на использовании резонансных наноструктур (с характерным размером от 250 нм до 500 нм) в области ближнего инфракрасного диапазона. Чувствительный элемент представляет собой дискретный волновод в виде цепочки Ми-резонансных субволновых наночастиц, расположенных на субволновом расстоянии друг от друга. При этом Ми-резонансные субволновые наночастицы выполнены из оптически прозрачного диэлектрического материала с коэффициентом преломления n 2, где n 2>n 1 и n 1 показатель преломления диэлектрического материала подложки, на котором расположен чувствительный элемент. Например, подложка может быть выполнена из диэлектрика с показателем преломления n 1 = 1,32 - 1,75, а чувствительный элемент, элементы ввода и вывода излучения размещены на одной оси и выполнены из диэлектрика с показателем преломления n 2 = 2,38 - 4,25. Наночастицы могут иметь различную форму, например, быть в виде сфер, дисков, параллелепипедов, цилиндров, кубов. При возбуждении Ми-резонанса в наночастице происходит усиление локального поля как внутри, так и снаружи частицы. Условия распространения волны по цепочке наночастиц за счёт сконцентрированного локального поля снаружи от частиц будут зависеть от показателя преломления окружающей такую цепочку среды. Показатель преломления материала частицы превышает показатель окружающей среды в 2,38 - 4,25 раз.The operating principle of an optical sensor is based on the use of resonant nanostructures (with a characteristic size from 250 nm to 500 nm) in the near infrared range. The sensitive element is a discrete waveguide in the form of a chain of Mie-resonant subwavelength nanoparticles located at a subwavelength distance from each other. In this case, the Mie-resonant subwavelength nanoparticles are made of an optically transparent dielectric material with a refractive index n 2 , where n 2 > n 1 and n 1 is the refractive index of the substrate dielectric material on which the sensitive element is located. For example, the substrate can be made of a dielectric with a refractive index n 1 = 1.32 - 1.75, and the sensitive element, input and output elements of radiation are placed on the same axis and made of a dielectric with a refractive index n 2 = 2.38 - 4 ,25. Nanoparticles can have different shapes, for example, be in the form of spheres, disks, parallelepipeds, cylinders, cubes. When a Mie resonance is excited in a nanoparticle, the local field is enhanced both inside and outside the particle. The conditions for wave propagation along a chain of nanoparticles due to a concentrated local field outside the particles will depend on the refractive index of the medium surrounding such a chain. The refractive index of the particle material exceeds the environmental index by 2.38 - 4.25 times.
Из технической литературы известны способ и устройства генерации резонанса в СВЧ диапазоне при использовании сфер изготовленных из материала с показателем преломления более 10, при этом сферы располагались в среде с показателем преломления равным 1 [B. Luk`yanchuk, L. M. Vasilyak, V. Ya. Pecherkin, S. P. Vetchinin, V. E. Fortov, Z. B. Wang, R. Paniagua Domínguez & A. A. Fedyanin. Colossal magnetic fields in high refractive index materials at microwave frequencies // Scientific Reports (2021) 11:23453, https://doi.org/10.1038/s41598-021-01644-1]. Известный способ генерации резонансных мод Ми заключается в размещении субволновой диэлектрической сферы в прозрачной для излучения среде с показателем преломления превышающим показатель преломления материала окружающей среды и облучаемой электромагнитной волной.From the technical literature, a method and device for generating resonance in the microwave range using spheres made of a material with a refractive index of more than 10 are known, while the spheres were located in a medium with a refractive index of 1 [B. Luk'yanchuk, L. M. Vasilyak, V. Ya. Pecherkin, S. P. Vetchinin, V. E. Fortov, Z. B. Wang, R. Paniagua Dominguez, & A. A. Fedyanin. Colossal magnetic fields in high refractive index materials at microwave frequencies // Scientific Reports (2021) 11:23453, https://doi.org/10.1038/s41598-021-01644-1]. A well-known method for generating resonant Mie modes consists in placing a subwave dielectric sphere in a medium transparent to radiation with a refractive index exceeding the refractive index of the environmental material and an irradiated electromagnetic wave.
Показатель преломления материала частицы превышает показатель окружающей среды более чем в 10 раз.The refractive index of the particle material exceeds that of the environment by more than 10 times.
Все известные способы генерации резонанса Ми в диэлектрических частицах обладают тем недостатком, что диэлектрические частицы с высоким показателем преломления обладают значительными потерями на рассеивание и поглощение излучения в материале частицы, а также дороговизна конструкционного материала, поскольку для создания необходимы диэлектрики с высоким показателем преломления. Собственные потери в материале диэлектрика затрудняют или даже препятствуют наблюдению резонансных мод.All known methods for generating Mie resonance in dielectric particles have the disadvantage that dielectric particles with a high refractive index have significant losses for scattering and absorption of radiation in the particle material, as well as the high cost of the structural material, since dielectrics with a high refractive index are required to create them. Intrinsic losses in the dielectric material make it difficult or even prevent the observation of resonant modes.
В качестве прототипа выбран способ генерации резонанса в мезоразмерной сфере с малым показателем преломления, заключающийся в размещении мезоразмерной диэлектрической сферы в прозрачной для излучения среде с показателем преломления превышающим показатель преломления материала окружающей среды более 1,3 раза и облучаемой плоской линейно поляризованной электромагнитной волной [И.В. Минин, Сонг Жоу (Song Zhou), О.В. Минин. Эффект суперрезонанса в мезоразмерной сфере с малым коэффициентом преломления // Письма в ЖЭТФ, 2022, т. 116, № 3, с. 146-150].As a prototype, a method for generating resonance in a mesoscale sphere with a low refractive index is chosen, which consists in placing a mesodimensional dielectric sphere in a medium transparent to radiation with a refractive index exceeding the refractive index of the environmental material by more than 1.3 times and irradiated by a plane linearly polarized electromagnetic wave [I. AT. Minin, Song Zhou, O.V. Minin. Superresonance effect in a mesoscale sphere with a low refractive index // JETP Letters, 2022, vol. 116, no. 3, p. 146-150].
Недостатком известного способа является использование в качестве материала мезоразмерной диэлектрической сферы диэлектрика с показателем преломления более показателя преломления окружающей среды, приводящий к значительными потерями на рассеивание и поглощение излучения в материале частицы, а также дороговизна конструкционного материала, поскольку для создания необходимы диэлектрики с высоким показателем преломления.The disadvantage of the known method is the use of a dielectric with a refractive index greater than the refractive index of the environment as a material for a mesodimensional dielectric sphere, which leads to significant losses for scattering and absorption of radiation in the particle material, as well as the high cost of the structural material, since dielectrics with a high refractive index are required to create.
Задачей заявляемого технического решения является разработка способа генерации резонансных мод Ми высокого порядка в мезоразмерных полостях диэлектрического материала с показателем преломления менее показателя преломления материала окружающей среды. The objective of the proposed technical solution is to develop a method for generating high-order resonant Mie modes in mesodimensional cavities of a dielectric material with a refractive index less than the refractive index of the environmental material.
Это достигается тем, что применяемый способ генерации резонансных мод Ми высокого порядка в мезоразмерных диэлектрических частицах, заключающийся в размещении мезоразмерной диэлектрической частицы в прозрачной для излучения среде, с показателем преломления материала частицы превышающим показатель преломления материала окружающей среды и облучаемой плоской линейно поляризованной электромагнитной волной новым является то, что частица выполняется в виде замкнутой полости, показатель преломления материала, заполняющего полость по сравнению с показателем преломления материала окружающей среды, выбирают менее 1,3 раза. Кроме того, полости формируют непосредственно на освещенной границе материала окружающей среды. Кроме того, полость заполняется газом. Кроме того, полость заполняется полимерным материалом. Кроме того, полость заполняется композиционным материалом.This is achieved by the fact that the applied method of generating high-order Mie resonant modes in mesodimensional dielectric particles, which consists in placing a mesodimensional dielectric particle in a medium transparent for radiation, with a refractive index of the particle material exceeding the refractive index of the environmental material and an irradiated plane linearly polarized electromagnetic wave, is new. that the particle is made in the form of a closed cavity, the refractive index of the material filling the cavity compared to the refractive index of the environmental material is chosen to be less than 1.3 times. In addition, the cavities are formed directly on the illuminated boundary of the environmental material. In addition, the cavity is filled with gas. In addition, the cavity is filled with a polymeric material. In addition, the cavity is filled with a composite material.
Сущность заявляемого способа поясняется на примере устройства, реализующего этот способ. The essence of the proposed method is illustrated by the example of a device that implements this method.
Функциональная схема этого устройства на примере с одиночной сферической полостью, представлена на Фиг. 1.The functional diagram of this device, using an example with a single spherical cavity, is shown in Fig. one.
На Фиг. 2 показано размещение различных по форме полостей внутри диэлектрика окружающей среды на примере полости со сферической формой, усеченной сферической формой, кругового конуса, цилиндра, кубоида и т.д.On FIG. 2 shows the placement of cavities of various shapes inside the dielectric of the environment using the example of a cavity with a spherical shape, a truncated spherical shape, a circular cone, a cylinder, a cuboid, etc.
На Фиг. 3 показано размещение различных по форме полостей, сформированных непосредственно на освещенной границе диэлектрика окружающей среды на примере полостей со сферической формой, усеченной сферической формой, кругового конуса, цилиндра, кубоида и т.д.On FIG. 3 shows the placement of cavities of various shapes formed directly on the illuminated boundary of the dielectric of the environment using the example of cavities with a spherical shape, a truncated spherical shape, a circular cone, a cylinder, a cuboid, etc.
Обозначения: 1 - источник монохроматического излучения (лазер, мазер, лампа обратной волны и т.п.), 2 - сформированная плоская линейно поляризованная электромагнитная волна, 3 - сферическая диэлектрическая мезоразмерная частица в форме полости с показателем преломления менее показателя преломления окружающей среды 4, полостей с усеченной сферической формой 5, полость в форме кругового конуса 6, полость в виде цилиндра 7, полость в виде кубоида 8, приемник электромагнитного диапазона длин волн - 9.Designations: 1 - source of monochromatic radiation (laser, maser, backward wave lamp, etc.), 2 - formed plane linearly polarized electromagnetic wave, 3 - spherical dielectric mesodimensional particle in the form of a cavity with a refractive index less than the refractive index of the
Работа устройства происходит следующим образом. В качестве источника монохроматического когерентного электромагнитного излучения 1 может выступать, например, перестраиваемый лазер в видимом и ИК диапазоне [Е. Гулевич, Н. Кондратюк, А. Протасеня. Перестраиваемые источники лазерного излучения УФ, видимого, ближнего и среднего ИК диапазона // Фотоника 3/2007, с.30-33], перестраиваемые источники терагерцового и СВЧ излучения: лампа обратной волны, оротрон, генератор дифракционного излучения, диоды Ганна и т. д. [Gunn J.B. Microwave oscillation of current in III IV semiconductors. // Solid State Commun. 1963, Vol. 1, pp. 88-91; Братман В.л. и др. Разработка вакуумных приборов терагерцового диапазона // Сб. трудов Первого рабочего совещания «Генерация и применение терагерцового излучения», Новосибирск, 24-25 ноября 2005 г., Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера, 2006 - 11-20 с.; Goutam Chattopadhyay. Technology, capabilities, and performance of low power teraherz sources // IEEE Trans. On Terahertz science and technology, 2011, vol. 1, N 1, p.33-53]. The operation of the device is as follows. As a source of monochromatic coherent
Среди твердотельных источников перестраиваемого лазерного излучения главенствующие позиции до недавнего времени занимали лазеры на красителях в полимерных матрицах и на активированных кристаллах (Al2O3:Ti3+, александрит, форстерит, YAG:Cr4+). Диапазон рабочих длин волн, обеспечиваемых этими лазерами, располагается в пределах от 550 до 1500 нм, а каждая активная среда в отдельности способна генерировать в сравнительно узкой спектральной области шириной от 20 до 300 нм. Параметрические генераторы света видимого и ближнего ИК диапазона, перекрывают практически весь спектральный диапазон длин волн от 200 нм до 20 мкм.Until recently, dye lasers in polymer matrices and activated crystals (Al 2 O 3 :Ti 3+ , alexandrite, forsterite, YAG:Cr 4+ ) have dominated among solid-state sources of tunable laser radiation. The range of operating wavelengths provided by these lasers ranges from 550 to 1500 nm, and each active medium separately is capable of generating in a relatively narrow spectral region with a width of 20 to 300 nm. Parametric light generators in the visible and near-IR range cover almost the entire spectral wavelength range from 200 nm to 20 µm.
Электромагнитное излучение, сформированное источником 1 в виде освещающей линейно поляризованной электромагнитной волны с плоским волновым фронтом 2, облучает прозрачную диэлектрическую среду 3 в которой расположена частица в виде замкнутой полости, например, сферической формы 4, усеченной сферической формы 5, в форме кругового конуса 6, в виде цилиндра 7, в виде кубоида 8 или иной формы. Так же полости 4-8 и иной формы могут быть сформированы на освещенной границе диэлектрического материала 3 с окружающей средой. При этом показатель преломления диэлектрического материала 3, в котором сформирована полость 4-8, выше показателя преломления материала полости 4-8. При меньшем значении показателя преломления материала 3, в котором сформирована полость 4-8 менее, чем примерно в 1,3 раза показателя преломления материала полости уменьшается коэффициент отражения излучения от границы диэлектрической среды - материал заполняющий полость 4-8 и моды Ми устойчиво не формируются.Electromagnetic radiation generated by the
При облучении полостей с формой 4-8 или иной формой поверхности электромагнитным излучением 2 с в ней могут сформироваться резонансные моды Ми высокого порядка, которые могут быть зарегистрированы приемником электромагнитного излучения 9.When cavities with a shape of 4-8 or another shape of the surface are irradiated with electromagnetic radiation 2 s, high-order Mie resonant modes can be formed in it, which can be registered by an
В качестве приемника электромагнитного излучения 9 в оптическом диапазоне длин волн могут быть использованы, например, фотодиоды, а в терагерцовом и СВЧ диапазонах диоды Шоттки, болометры, пироприемники [Кубарев В.В. Детекторы терагерцового излучения // Сб. трудов Первого рабочего совещания «Генерация и применение терагерцового излучения», Новосибирск, 24-25 ноября 2005 г., Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера, 2006 - 35-40 с.; Техника субмиллиметровых волн. Колл. авторов под ред. Р.А. Валитова - М.: Советское радио, 1969, 480 с.]. As a receiver of
Из технической литературы известно, что формирование и удержание мод Ми в диэлектриках с высоким индексом происходит из-за конечного коэффициента отражения излучения на границе раздела материала с высоким индексом и воздуха. It is known from the technical literature that the formation and retention of Mie modes in high-index dielectrics is due to the finite reflection coefficient of radiation at the interface between the high-index material and air.
Однако в результате проведенных исследований оказалось, что в случае полости заполненной газом с показателем преломления близким к 1 или прозрачным диэлектриком с показателем преломления менее показателя преломления окружающей среды возникают локализованные оптические моды, которые ограничены характерным размером полости в силу конечного коэффициента отражения на разрыве материала, что не противоречит теории Ми [Mie, G. Beiträge zur optik trüber medien, speziell kolloidalermetallösungen, // Ann. Phys. 330, 3, 377-445 (1908).].However, as a result of the studies, it turned out that in the case of a cavity filled with a gas with a refractive index close to 1 or a transparent dielectric with a refractive index less than the refractive index of the environment, localized optical modes arise, which are limited by the characteristic size of the cavity due to the finite reflection coefficient at the break of the material, which does not contradict the Mie theory [Mie, G. Beiträge zur optik trüber medien, speziell kolloidalermetallösungen, // Ann. Phys . 330, 3, 377-445 (1908).].
Согласно принципу Бабине [Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1970] следует, что дифракционная картина от непрозрачного тела идентична дифракционной картине от отверстия того же размера и формы, за исключением общей интенсивности прямого луча. Дифракционные картины от отверстий или тел известного размера и формы сравниваются с картиной от измеряемого объекта. Для диэлектриков с высоким показателем преломления, отражение и рассеяние излучения от границы диэлектрик - материал с низким показателем преломления, приближается к случаю отражения и рассеяния излучения от границы металл-материал с низким показателем преломления.According to the Babinet principle [Born M., Wolf E. Fundamentals of optics. M.: Nauka, 1970] that the diffraction pattern from an opaque body is identical to the diffraction pattern from a hole of the same size and shape, except for the overall intensity of the direct beam. Diffraction patterns from holes or bodies of known size and shape are compared with the pattern from the object being measured. For dielectrics with a high refractive index, the reflection and scattering of radiation from the dielectric-material interface with a low refractive index approaches the case of reflection and scattering of radiation from a metal-material interface with a low refractive index.
Рассеяние излучения в полости так же минимально, так как минимален показатель преломления материала, заполняющего полость. При этом экономится дорогой конструкционный материал с высоким показателем преломления. Кроме того, на формирование мод Ми в полости не влияет дисперсия материала, заполняющего полость. Так в газах дисперсия показателя преломления много меньше, чем в твердых диэлектрических материалах.Radiation scattering in the cavity is also minimal, since the refractive index of the material filling the cavity is minimal. This saves expensive structural material with a high refractive index. In addition, the formation of Mie modes in the cavity is not affected by the dispersion of the material filling the cavity. So in gases, the dispersion of the refractive index is much less than in solid dielectric materials.
Характерный размер полостей находится в мезоразмерной области, а характерный размер резонансных частиц выполненных из материала с высоким показателем преломления находится в нанометровой области, при условии, что сравнение происходит на одной и той же резонансной длине волны мод и в одном и том же спектральном диапазоне. Мезоразмерный размер полости обусловлен большой разницей показателей преломления диэлектрика (фторопласт, кремний, германий и т.п.) с показателем преломления более 1,5 и газом, например, воздухом с показателем преломления порядка 1.The characteristic size of the cavities is in the mesoscale region, and the characteristic size of resonant particles made of a material with a high refractive index is in the nanometer region, provided that the comparison takes place at the same resonant mode wavelength and in the same spectral range. The mesodimensional size of the cavity is due to the large difference in the refractive indices of the dielectric (PTFE, silicon, germanium, etc.) with a refractive index of more than 1.5 and a gas, for example, air, with a refractive index of about 1.
Было обнаружено, что при замене диэлектрической резонансной частицы на полость происходит перестройка энергетического порядка мод. Так, например, основной собственной модой диэлектрической сферы является магнитная дипольная мода, тогда как в случае сферической полости это электрическая дипольная мода.It was found that when a dielectric resonant particle is replaced by a cavity, the energy order of the modes is rearranged. For example, the main eigenmode of a dielectric sphere is the magnetic dipole mode, while in the case of a spherical cavity it is the electric dipole mode.
Кроме того, формирование мод Ми в полостях имеет преимущество по сравнению с прототипом, заключающееся в меньших требованиях к соблюдению точной формы полости. Это обусловлено большой разницей показателей преломления диэлектрика (фторопласт, кремний, германий и т.п.) и газом, например, воздухом.In addition, the formation of Mie modes in the cavities has the advantage in comparison with the prototype, which consists in lower requirements for maintaining the exact shape of the cavity. This is due to the large difference in the refractive indices of the dielectric (PTFE, silicon, germanium, etc.) and the gas, for example, air.
В результате исследований было установлено, что мезоразмерная полость в диэлектрическом материале обладает оптически-индуцированными резонансами Ми-типа в видимом и СВЧ диапазонах, за счет локализации внутри структуры электромагнитных полей и способна многократно усиливать электрические и магнитные поля. Длина волны резонансного возбуждения структуры определяется размерами полости, ее показателем преломления и формой полости, показателем преломления диэлектрического материала в котором она расположена. As a result of the research, it was found that a mesodimensional cavity in a dielectric material has optically induced Mi-type resonances in the visible and microwave ranges, due to the localization of electromagnetic fields inside the structure and is capable of repeatedly amplifying electric and magnetic fields. The wavelength of the resonant excitation of the structure is determined by the dimensions of the cavity, its refractive index and the shape of the cavity, the refractive index of the dielectric material in which it is located.
Из уровня техники известны способы создания внутри прозрачного для излучения диэлектрического материала полостей различной формы, например, методами лазерной литографии, включая 3D литографию или ионного сфокусированного пучка [Maria Farsari, Boris N. Chichkov. Materials processing: Two-photon fabrication // Nature photonics - 2009 -vol. 3, N 8, p. 450; И.И. Шишкин, К.Б. Самусуев, М.В. Рыбин и др. Стеклообразная наноструктура, изготовленная методом лазерной нанолитографии // ФТТ - 2012 - Vol. 54 - pp. 1852-1857; И.И. Шишкин, К.Б. Самусуев, М.В. Рыбин и др. Изготовление субмикронных структур методом трехмерной лазерной литографии // Письма в ЖТФ - 2014 - vol. 99 - pp. 614-617; А.А. Евстрапов, И.С. Мухин, И.В. Кухтевич, А.С. Букатин Метод сфокусированного ионного пучка при формировании наноразмерных структур в микрофлюидных чипах // Письма в ЖТФ, 2011, том 37, вып. 20, с. 32-40.]. From the prior art, methods are known for creating cavities of various shapes inside a radiation-transparent dielectric material, for example, by laser lithography methods, including 3D lithography or a focused ion beam [Maria Farsari, Boris N. Chichkov. Materials processing: Two-photon fabrication // Nature photonics - 2009 -vol. 3, No. 8, p. 450; I.I. Shishkin, K.B. Samusuev, M.V. Rybin et al. Glassy nanostructure fabricated by laser nanolithography // FTT - 2012 - Vol. 54-pp. 1852-1857; I.I. Shishkin, K.B. Samusuev, M.V. Rybin et al. Fabrication of submicron structures by 3D laser lithography // JTF Letters - 2014 - vol. 99-pp. 614-617; A.A. Evstrapov, I.S. Mukhin, I.V. Kukhtevich, A.S. Bukatin The method of a focused ion beam in the formation of nanoscale structures in microfluidic chips // Letters to ZhTF, 2011, volume 37, no. 20, p. 32-40].
Известен способ изменения структуры материала путем концентрации лучистой энергии в определенной точке объема при последовательном перемещении материала по заданной траектории (А.С. СССР 321422).A known method of changing the structure of the material by concentrating radiant energy at a certain point in the volume of the sequential movement of the material along a given trajectory (AS USSR 321422).
Известен способ изготовления декоративного изделия с рисунком внутри объема, например, органического стекла (А.С. СССР 694399, 891489), заключающийся в обрабатывании заготовки из прозрачного диэлектрика пучком ускоренных электронов до момента разряда образующегося в диэлектрике объемного заряда термализованных электронов.A method is known for manufacturing a decorative product with a pattern inside the volume, for example, organic glass (A.S. USSR 694399, 891489), which consists in processing a workpiece from a transparent dielectric with a beam of accelerated electrons until the moment of discharge of the thermalized electrons space charge formed in the dielectric.
Способ изготовления полости в диэлектрическом материале зависит, главным образом, от целевых геометрических параметров устройства генерации резонансных мод Ми высокого порядка, определяемых в зависимости от диапазона рабочих частот.The method of manufacturing a cavity in a dielectric material depends mainly on the target geometric parameters of the high-order Mie resonant mode generation device, determined depending on the operating frequency range.
Из технической литературы известно, что показатель преломления газов близок к 1, например, на длине волны 589 нм воздух имеет показатель преломления 1,000293, двуокись углерода - 1,00045, гелий - 1,000036, водород - 1,000132 [Борисенко С. И., Ревинская О. Г., Кравченко Н. С., Чернов А. В. Показатель преломления света и методы его экспериментального определения. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2014. - 142 с.].It is known from the technical literature that the refractive index of gases is close to 1, for example, at a wavelength of 589 nm, air has a refractive index of 1.000293, carbon dioxide - 1.00045, helium - 1.000036, hydrogen - 1.000132 [Borisenko S. I., Revinskaya O. G., Kravchenko N. S., Chernov A. V. Light refractive index and methods of its experimental determination. - Tomsk: Publishing House of the Tomsk Polytechnic University, 2014. - 142 p.].
В качестве материалов заполняющих полость и материалов в которых сформирована эта полость, при сохранении необходимого контраста коэффициента преломления могут использоваться в оптическом, терагерцовом и СВЧ диапазонах, например, различные оптические материалы, например, кварцевое стекло марок КУ-1, КУ-2, КВ, КИ, оптические цветные стекла, полимерные оптические материалы, например, марок СО-95, СО-120, ТСТ-1, Т2-66, Д, АМ-4, МС, СН-25, НБ, дифлон, оптическая керамика, например, КО-1, КО-2, КО-3, КО-12, стекла кристаллических материалов, например, ФЛ-У, ФБ-У, ФМ-У, АИК-У, стеклокристаллические материалы, например, оптические ситаллы, инфракрасные оптические стекла ИКС-23, ИКС -24, ИКС-28, ИКС- 34, ИКС-33 [Зверев В.А., Е.В. Кривопустова, Т.В. Точилина. Оптические материалы. Часть 2. Учебное пособие для конструкторов оптических систем и приборов. - СПб: СПб НИУ ИТМО, 2013 - 248 с.], стекла прозрачные для электромагнитного диапазона СВЧ диапазона [М.В. Дяденко, В.Н. Родионава, В.А. Карпович, А.Г. Петуовская. Стекла, прозрачные для электромагнитного СВЧ-диапазона // Труды БГТУ, 2017, серия 2, № 2, с. 132-138], композиционные диэлектрические материалы [Патент РФ 2307432, Patent US 6489928, Чигряй Е.Е., Никитин И.П. Свойства композита полистиролрутил на миллиметровых волнах // Журнал Радиоэлектроники, N 9, 2018, с. 1-9], в терагецовом диапазоне длин волн могут использоваться кремний, самфир, кварц, алмаз, германий, карбит кремния, полиметилпентен, полиэтилен, фторопласт [В.Е. Зщгалин, И.А. Кплунов, Г.И. Кропотов. Оптические материалы для THz диапазона // Оптика и спектроскопия, 2018, т. 125, вып. 6, с. 851-863], керамика и полимерные материалы в терагерцовом диапазоне длин волн, например, керамики BN, SiO2, SrTiO3, Al2O3, полимеры тефлон, полистирол, полиэтилен, полипропилен, органическое стекло [V.V. Meriakri, E.E. Chigryai, I.P. Nikitin. Dielectic properties of some practical-use material in the low-freuency part of the terahertz band // CAOL, 2013, Int. Conf. on Advanced Optoelectronics & Laser, 9-13 Sept., Sudak, Ukraine], керамические материалы в миллиметровом диапазоне длин волн, например, Керамика В20 в диапазоне от 100 до 170 ГГц имеет показатель преломления 4,58. Исследование диэлектрических свойств керамических материалов марок МСТ-7,3, МСТ-10, ТК-20, ТК-40, ЛК-2,5, ЛК-3, СТ-3, СТ-4, СТ-10, ВК-100М в диапазоне частот от 50 ГГц до 200 ГГц, показало, что они пригодны для применения в миллиметровом диапазоне длин волн. Показатель преломления большинства образцов не зависит от частоты в исследуемом диапазоне, либо имеет слабую линейную зависимость. Для МСТ-7,25 в диапазоне (80-200 ГГц) показатель преломления n=2,658±0,001, n(9,4 ГГц) = 2,72, для МСТ-10: n(55-200 ГГц)=3,1855±0,001, n(9,4 ГГц) = 3,225, для ТК-20: показатель преломления возрастает практически линейно от n(9,4 ГГц) = 4,404 до n(200 ГГц) = 4,416. Для ТК-40: n(60-200 ГГц) = 6,255±0,001, n(6 ГГц) = 6,316, для пено-керамик ЛК-2,5: показатель преломления возрастает практически линейно от n(9,4 ГГц) = 1,58 до n(170 ГГц) = 1,61, для ЛК-3: величина показателя преломления меняется практически линейно от n(9,4 ГГц) =1,73 до n(192 ГГц) =1,77. Тангенс угла потерь для таких материалов порядка 10-3. СТ-4 в диапазоне 50-200 ГГц n=1,995, для СТ-10 3,194, ВК-100М 3,165 (тангенс угла потерь 10-4) [Паршин В.В, Серов Е.А, Ершова П.В. Исследование диэлектрических свойств современных керамических материалов в миллиметровом диапазоне // Электроника и микроэлектроника СВЧ, том 1, 2017, с. 418-422], в работе [M.T. Sebastian. Dielectric materials for wireless communication/ Elsevier, 2008] приведено свыше 2000 доступных материалов с малыми потерями и показателями преломления от 2 до 29 в СВЧ диапазоне.As materials filling the cavity and the materials in which this cavity is formed, while maintaining the necessary contrast of the refractive index, various optical materials can be used in the optical, terahertz and microwave ranges, for example, quartz glass of grades KU-1, KU-2, KV, KI, optical colored glasses, polymeric optical materials, for example, grades SO-95, SO-120, TST-1, T2-66, D, AM-4, MS, SN-25, NB, diflon, optical ceramics, for example, KO-1, KO-2, KO-3, KO-12, glasses of crystalline materials, for example, FL-U, FB-U, FM-U, AIK-U, glass-ceramic materials, for example, optical sitalls, infrared optical glasses IKS -23, IKS -24, IKS-28, IKS-34, IKS-33 [Zverev V.A., E.V. Krivopustova, T.V. Tochilin. Optical materials.
Пример 1. Для оптического диапазона частот может быть использована диэлектрическая среда из такого материала, как кремний или арсенид галлия, которые имеют показатель преломления близкий, например, к 4. В диэлектрической среде сформированы полости микронного диаметра методами лазерной литографии, ионного сфокусированного пучка или иным известным способом. Для определения геометрических параметров полости выбирается целевое значение рабочей частоты. Например, для частоты 150 ТГц (λ ≈ 2 мкм) подбираются размеры, например, цилиндрической полости или сферической полости с диаметром полости примерно равного порядка 5 мкм. В качестве материала полости может использоваться воздух с показателем преломления порядка 1 или иной материал с показателем преломления менее 3, например, фторопласт, полистирол, полиэтилен с показателями преломления порядка 1,5. Example 1. For the optical frequency range, a dielectric medium made of a material such as silicon or gallium arsenide, which have a refractive index close to, for example, 4, can be used. Micron-diameter cavities are formed in the dielectric medium using laser lithography, focused ion beam, or other known methods. way. To determine the geometric parameters of the cavity, the target value of the operating frequency is selected. For example, for a frequency of 150 THz (λ ≈ 2 μm), the dimensions are selected, for example, of a cylindrical cavity or a spherical cavity with a cavity diameter of about 5 μm. The cavity material can be air with a refractive index of about 1 or another material with a refractive index of less than 3, for example, fluoroplastic, polystyrene, polyethylene with refractive indices of about 1.5.
Пример 2. Сформирована замкнутая сферическая полость диаметром порядка 600 нм, что соответствует резонансной длине волны порядка 275 нм в кремнии с показателем преломления порядка 4. Сферическая полость заполнена воздухом с показателем преломления порядка 1. В данной полости наблюдались основные резонансы Ми (электрические и магнитные дипольные, а также квадрупольные и моды более высокого порядка). Для получения резонанса мод Ми высокого порядка в мезоразмерных полостях диэлектрического материала в микроволновом диапазоне частот, можно использовать материалы прозрачные для излучения в том диапазоне, например, с большими значениями диэлектрической проницаемости, такие как керамики, кремний с показателями преломления более 3 и т.д. Для получения резонанса мод Ми высокого порядка в мезоразмерных полостях диэлектрического материала в более низком высокочастотном диапазоне частот необходимо пропорционально увеличить его размеры.Example 2. A closed spherical cavity with a diameter of about 600 nm is formed, which corresponds to a resonant wavelength of about 275 nm in silicon with a refractive index of about 4. The spherical cavity is filled with air with a refractive index of about 1. In this cavity, the main Mie resonances (electric and magnetic dipole , as well as quadrupole and higher-order modes). To obtain a resonance of high-order Mie modes in mesodimensional cavities of a dielectric material in the microwave frequency range, it is possible to use materials that are transparent to radiation in that range, for example, with large values of the dielectric constant, such as ceramics, silicon with refractive indices of more than 3, etc. To obtain high-order Mie mode resonance in mesodimensional cavities of a dielectric material in a lower high-frequency frequency range, it is necessary to proportionally increase its dimensions.
Пример 3. Сформирована цилиндрическая полость на освещенной границе диэлектрика с высоким показателем преломления. Полость заполнена воздухом с показателем преломления порядка 1, диэлектрик среды - кремний с показателем преломления порядка 4. Диаметр цилиндрической полости порядка 800 нм, его глубина порядка 420 нм. Наблюдались электрические и магнитные дипольные моды, а также квадрупольные и моды более высокого порядка на резонансных длинах волн порядка 450 нм и 700 нм.Example 3 A cylindrical cavity is formed at the illuminated boundary of a dielectric with a high refractive index. The cavity is filled with air with a refractive index of about 1, the dielectric of the medium is silicon with a refractive index of about 4. The diameter of the cylindrical cavity is about 800 nm, its depth is about 420 nm. Electric and magnetic dipole modes, as well as quadrupole and higher order modes, were observed at resonant wavelengths of the order of 450 nm and 700 nm.
Таким образом, установлено, что замкнутые полости сформированные внутри диэлектрических материалах с высоким показателем преломления и полости на границе освещенной поверхности диэлектрика, поддерживают локализованные резонансные моды Ми высокого порядка исключительными оптическими свойствами. Благодаря удержанию в материале полости с показателем преломления порядка 1 моды не имеют потерь излучения в материале заполняющем полость и рассеивания.Thus, it has been found that closed cavities formed inside high refractive index dielectric materials and cavities at the boundary of the illuminated dielectric surface support high-order localized Mie resonant modes with exceptional optical properties. Due to the retention of a cavity in the material with a refractive index of the order of 1, the modes have no radiation losses in the material filling the cavity and no scattering.
Claims (5)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2784213C1 true RU2784213C1 (en) | 2022-11-23 |
Family
ID=
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2806895C1 (en) * | 2023-07-14 | 2023-11-08 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" | Method for creating magnetic fields in meso-sized dielectric spherical two-layer particles |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2653187C1 (en) * | 2016-12-26 | 2018-05-07 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) | METHOD OF FULLY OPTICAL MODULATION OF LIGHT BY Mi-RESONANT STRUCTURES BASED ON DIRECT SEMICONDUCTORS |
| CN109557687A (en) * | 2019-01-22 | 2019-04-02 | 石家庄铁道大学 | The preparation method and photoswitch of Mie resonator, dielectric particle, photoswitch |
| RU191638U1 (en) * | 2019-04-18 | 2019-08-14 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" (СГУГиТ) | Device for forming a photon stream |
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2653187C1 (en) * | 2016-12-26 | 2018-05-07 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) | METHOD OF FULLY OPTICAL MODULATION OF LIGHT BY Mi-RESONANT STRUCTURES BASED ON DIRECT SEMICONDUCTORS |
| CN109557687A (en) * | 2019-01-22 | 2019-04-02 | 石家庄铁道大学 | The preparation method and photoswitch of Mie resonator, dielectric particle, photoswitch |
| RU191638U1 (en) * | 2019-04-18 | 2019-08-14 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" (СГУГиТ) | Device for forming a photon stream |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2806895C1 (en) * | 2023-07-14 | 2023-11-08 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" | Method for creating magnetic fields in meso-sized dielectric spherical two-layer particles |
| RU2821162C1 (en) * | 2023-11-20 | 2024-06-17 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" | Method of determining high-order resonance mie mode at superresonance in spherical dielectric homogeneous particle |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Lepeshov et al. | Enhancement of terahertz photoconductive antenna operation by optical nanoantennas | |
| Gupta et al. | Sharp toroidal resonances in planar terahertz metasurfaces | |
| JP4856173B2 (en) | Smith-Parcel radiation source using negative index metamaterial (NIM) | |
| Al-Naib et al. | Effect of local field enhancement on the nonlinear terahertz response of a silicon-based metamaterial | |
| Bounaas et al. | High sensitivity temperature sensor based on photonic crystal resonant cavity | |
| Wang et al. | Selective excitation of resonances in gammadion metamaterials for terahertz wave manipulation | |
| Gerhardt et al. | Polarization-dependent light-matter coupling and highly indistinguishable resonant fluorescence photons from quantum dot-micropillar cavities with elliptical cross section | |
| Zhang et al. | An enhanced high Q-factor resonance of quasi-bound states in the continuum with all-dielectric metasurface based on multilayer film structures | |
| RU2784213C1 (en) | Method for generating higher-order mie resonant modes in mesoscale cavities of a dielectric material | |
| Liu et al. | Investigation of enhanced transmission and beaming effect through an InSb subwavelength grating with a slit at the terahertz range | |
| Rathinasamy et al. | Interdigitated-slot photoconductive antenna for terahertz applications | |
| RU2807397C1 (en) | Method for generating high-order superresonant mie modes in hollow spherical mesosized dielectric particle | |
| Minin et al. | Dielectric wavelength-scaled metalenses based on an anomalous apodization effect for photoconductive optical-to-terahertz switches | |
| RU2786780C1 (en) | Method for determining superresonance on high-order mie modes for a spherical dielectric particle | |
| Tian et al. | Dynamic control of anapole states with phase-change alloys | |
| Wang et al. | High-Q resonances in terahertz all-silicon metasurface with imperforated air-hole array | |
| RU2820794C1 (en) | Method of creating strong magnetic fields in mesoscale particles | |
| Kupriianov et al. | Anapole observation in all-dielectric trimer-based metasurface | |
| Duan et al. | Metamaterials design and challenges for THz radiation | |
| RU2806895C1 (en) | Method for creating magnetic fields in meso-sized dielectric spherical two-layer particles | |
| Iida et al. | Terahertz-photomixing efficiency of a photoconductive antenna embedded in a three-dimensional photonic crystal | |
| Tuz et al. | Recent development of conception of trapped modes in low-loss all-dielectric metamaterials | |
| Goudarzi et al. | Inverse design of an all-dielectric digitized terahertz optical power splitter by particle swarm optimization method | |
| Barreda et al. | Sphere dimers of high refractive index dielectric particles as elementary units for building optical switching devices | |
| Sadasivan et al. | All Dielectric LWIR Metasurface Reflectors for Space Technologies |