RU2795677C1

RU2795677C1 - Mesoscale cuboid plate lens

Info

Publication number: RU2795677C1
Application number: RU2022131901A
Authority: RU
Inventors: Игорь Владиленович Минин; Олег Владиленович Минин
Filing date: 2022-12-07
Publication date: 2023-05-05

Abstract

FIELD: wave focusing devices.

SUBSTANCE: invention relates to devices for focusing elastic waves into a region with transverse dimensions less than the diffraction limit and can be used for research, instrumentation and diagnostic work in implementation of technological processes and the study of biological objects. A mesoscale cuboid plate lens consists of an array of parallel plates set at an angle of +α to the incident radiation above the optical axis of the lens and at an angle -α below the optical axis of the lens, the width of the plates is equal to the length of the cuboid face, and made of a material with an impedance value different from the environment impedance. The angle of inclination of the plates decreases across the optical axis of the lens towards its periphery, creating a smooth gradient in the effective refractive index, which is in the range from less than 2 to 1.2.

EFFECT: enabling subwavelength focusing and optimization of lens characteristics.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к акустике, а точнее к устройствам, предназначенным для фокусировки упругих волн в область с поперечными размерами менее дифракционного предела, и может быть использовано для проведения научно-исследовательских, контрольно-измерительных и диагностических работ, при осуществлении технологических процессов и исследования биообъектов.The invention relates to acoustics, and more specifically to devices designed to focus elastic waves into a region with transverse dimensions less than the diffraction limit, and can be used for research, measurement and diagnostic work, in the implementation of technological processes and the study of biological objects.

Известны различные акустические линзы с различной формой поверхности: двояковыпуклые, двояковогнутые, плоско-выпуклые для фокусировки упругих волн путем изменения акустического пути и преломления волн на границе раздела окружающей среды и линзы, материалом которых могут быть жидкие, твердые и газообразные вещества [Каневский И.Н. Фокусирование звуковых и ультразвуковых волн. М.: Наука, 1977, с. 3-36].Various acoustic lenses with different surface shapes are known: biconvex, biconcave, plano-convex for focusing elastic waves by changing the acoustic path and refraction of waves at the interface between the environment and the lens, the material of which can be liquid, solid and gaseous substances [Kanevsky I.N. . Focusing of sound and ultrasonic waves. M.: Nauka, 1977, p. 3-36].

Недостатком таких акустических линз являются их большие поперечные размеры, значительно превышающие используемую длину волны, низкое пространственное разрешение, сложность изготовления прецизионных поверхностей и невозможность их применения для фокусировки мощного излучения. The disadvantage of such acoustic lenses is their large transverse dimensions, which significantly exceed the wavelength used, low spatial resolution, the complexity of manufacturing precision surfaces and the impossibility of using them to focus high-power radiation.

Известна акустическая линза [А.С. (СССР) №1063480] с аксиально симметричным градиентом акустического показателя преломления и плоскопараллельными торцами, при этом градиент акустического показателя преломления в стеклянном стержне создается с помощью ионообменной диффузии.Known acoustic lens [A.S. (USSR) No. 1063480] with an axially symmetric gradient of the acoustic refractive index and plane-parallel ends, while the gradient of the acoustic refractive index in the glass rod is created using ion-exchange diffusion.

Недостатком акустической линзы является низкое пространственное разрешение, не превышающее величины дифракционного предела, сложность контроля и управление профилем градиента показателя преломления. А также с помощью такой акустической линзы невозможно получить фокусное пятно с шириной меньшего дифракционного предела.The disadvantage of an acoustic lens is the low spatial resolution, which does not exceed the diffraction limit, the complexity of control and management of the refractive index gradient profile. And also with the help of such an acoustic lens it is impossible to obtain a focal spot with a width of a smaller diffraction limit.

Считается, что при фокусировке волн любой природы волновая энергия концентрируется в области с поперечным размером, не меньше половины длины волны [Горелик Г.С. Колебания и волны. М.: Гос. изд. Физ.-мат. лит., 1959, с. 377]. Величина поперечного разрешения линзы определяется критерием Рэлея (дифракционный предел) [Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1973, 720 с.] и равна:It is believed that when focusing waves of any nature, wave energy is concentrated in a region with a transverse size of at least half the wavelength [Gorelik G.S. Vibrations and waves. M.: State. ed. Phys.-Math. lit., 1959, p. 377]. The value of the transverse resolution of the lens is determined by the Rayleigh criterion (diffraction limit) [Born M., Wolf E. Fundamentals of optics. M.: Nauka, 1973, 720 p.] and is equal to:

δ≈1,22λ/D,δ≈1.22λ/D,

где λ – длина акустической волны, D – диаметр линзы. where λ is the acoustic wave length, D is the lens diameter.

Для достижения высокого пространственного разрешения необходимо использовать акустические линзы с высокой числовой апертурой.To achieve a high spatial resolution, it is necessary to use acoustic lenses with a high numerical aperture.

Для фокусировки упругих волн с поперечным разрешением превышающим критерий Рэлея, необходимо фокусировать упругие волны вблизи раздела двух сред с различными величинами акустического показателя преломления. Отношение скоростей звука называют акустическим показателем преломления первой среды по отношению ко второй. Вблизи поверхности раздела сред возбуждаются поверхностные упругие волны, конструктивная интерференция которых может приводить к уменьшению поперечного размера области фокусировки ниже дифракционного предела. Так как акустические поверхностные волны имеют проекцию волнового вектора k_х на поперечную координату х большую, чем волновое число в среде: k_х>k₀n, где k₀=2π/λ – волновое число в среде, n – акустический показатель преломления среды.To focus elastic waves with a transverse resolution exceeding the Rayleigh criterion, it is necessary to focus elastic waves near the interface between two media with different values of the acoustic refractive index. The ratio of the speeds of sound is called the acoustic refractive index of the first medium with respect to the second. Near the interface between media, surface elastic waves are excited, the constructive interference of which can lead to a decrease in the transverse size of the focusing region below the diffraction limit. Since acoustic surface waves have a projection of the wave vector k _x on the transverse coordinate x greater than the wave number in the medium: k _x >k ₀ n, where k ₀ =2π/λ is the wave number in the medium, n is the acoustic refractive index of the medium.

Создание линз в акустическом диапазоне длин волн затруднено тем обстоятельством, что существует лишь небольшое количество веществ с требуемым акустическим показателем преломления.The creation of lenses in the acoustic wavelength range is difficult due to the fact that there are only a small number of substances with the required acoustic refractive index.

Известно, что наилучшими фокусирующими свойствами (поперечным разрешением) обладают акустические градиентные линзы. Такие линзы могут быть созданы с помощью аппроксимации градиентного акустического показателя преломления дифракционной субволновой микроструктурой, например, с помощью градиентных звуковых (фотонных) кристаллов [Qingyi Zhu, Lei Jin, Yongqi Fu. Graded index photonic crystals: A review // Ann. Phys. (Berlin), 527, # 3-4, 205-218, (2015)] или, например, шаровыми включениями в жидкости и твердых средах, соответствующих размеров, плотности, скорости звука, модуля объемной упругости [Виноградов Е.А., Суязов Н.В., Шипилов К.Ф. Дисперсия и отрицательное преломление акустических волн в гетерогенных средах // Труды института общей физики им. А.П. Прохорова, т. 69, 2013, с. 126-147].It is known that acoustic gradient lenses have the best focusing properties (transverse resolution). Such lenses can be created by approximating the gradient acoustic refractive index by a diffractive subwavelength microstructure, for example, using gradient acoustic (photonic) crystals [Qingyi Zhu, Lei Jin, Yongqi Fu. Graded index photonic crystals: A review // Ann. Phys. (Berlin), 527, # 3-4, 205-218, (2015)] or, for example, spherical inclusions in liquids and solids of the appropriate size, density, sound speed, bulk modulus [Vinogradov E.A., Suyazov N.V., Shipilov K.F. Dispersion and negative refraction of acoustic waves in heterogeneous media // Proceedings of the Institute of General Physics. A.P. Prokhorova, vol. 69, 2013, p. 126-147].

Известна градиентная акустическая линза с плоскопараллельными гранями перпендикулярными ее оптической оси [Alfonco Climente, Daniel Torrent, Jose Sanchez-Dehesa. Sound focusing by gradient index sonic lenses // Applied physics letters, 97, 104103, 2010], состоящая из акустического кристалла. Акустический показатель преломления такой линзы описывается гиперболическим секансом n(y)=n₀sech(αy), где α – постоянная, равная h^-1cosh^-1(n₀/n_h). Здесь h – полувысота акустической линзы, n₀– акустический показатель преломления на оптической оси линзы (у=0) и n_h– акустический показатель преломления на краях линзы (у=±h). Градиент акустического показателя преломления создавался периодической системой металлических цилиндров в воздухе различного диаметра. Known gradient acoustic lens with plane-parallel faces perpendicular to its optical axis [Alfonco Climente, Daniel Torrent, Jose Sanchez-Dehesa. Sound focusing by gradient index sonic lenses // Applied physics letters, 97, 104103, 2010] consisting of an acoustic crystal. The acoustic refractive index of such a lens is described by the hyperbolic secant n(y)=n ₀ sech(αy), where α is a constant equal to h ^-1 cosh ^-1 (n ₀ /n _h ). Here h is the half-height of the acoustic lens, n ₀ is the acoustic refractive index on the optical axis of the lens (y=0) and n _h is the acoustic refractive index at the edges of the lens (y=±h). The acoustic refractive index gradient was created by a periodic system of metal cylinders in air of various diameters.

Недостатком акустической линзы является ее сложность и низкая разрешающая способность, которая не превышает дифракционного предела λ/2.The disadvantage of an acoustic lens is its complexity and low resolution, which does not exceed the diffraction limit λ/2.

Известен искусственный материал образованный из решетки параллельных пластин установленных под углом θ к падающему излучению и линзы из такого материала. Принцип действия такой искусственной среды заключается в том, чтобы заставить волны двигаться между наклонно расположенными пластинами. В этом случае, проходимый путь возрастает в 1/сosθ раз, что соответствует эффективному показателю преломления по отношению к распространению волн в свободном пространстве n=1/сosθ [Kock W. E. Metal-lens antennas // Proc. IRE. 34, 828–836 (1946); Winston E. Kock. Metallic Delay Lenses // Bell System Technical Journal, 1948, 27, р. 58-82; Minin O.V., Minin I.V. Diffractional optics of millimeter waves.-Bristol and Philadelphia: Institute of Physics Publishing, 2004. – 396 p.; 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); Pimenov and A. Loidl, Experimental demonstration of artificial dielectrics with a high index of refraction // Phys. Rev. B 74, 193102 (2006)].Known artificial material formed from a lattice of parallel plates set at an angle θ to the incident radiation and lenses from such a material. The principle of operation of such an artificial environment is to make waves move between inclined plates. In this case, the passable path increases by 1/cosθ times, which corresponds to the effective refractive index in relation to the propagation of waves in free space n=1/cosθ [Kock W. E. Metal-lens antennas // Proc. I.R.E. 34, 828-836 (1946); Winston E. Cock. Metallic Delay Lenses // Bell System Technical Journal, 1948, 27, p. 58-82; Minin O.V., Minin I.V. Diffractional optics of millimeter waves.-Bristol and Philadelphia: Institute of Physics Publishing, 2004. - 396 p.; 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); Pimenov and A. Loidl, Experimental demonstration of artificial dielectrics with a high index of refraction, Phys. Rev. B 74, 193102 (2006)].

В таблице приведены значения эффективного показателя преломления N_эфот угла наклона пластин.The table shows the values of the effective refractive index N _eff on the angle of inclination of the plates.

ТаблицаTable

Значения эффективного показателя преломления N_эфот угла наклона пластин αThe values of the effective refractive index N _eff on the angle of inclination of the plates α

Эф. показатель преломления, N_эф Eph. refractive index, N _eff 11 1,021.02 1,061.06 1,151.15 1,311.31 1,561.56 1,741.74 22 Угол наклона пластин αInsert angle α 00 1010 2020 30thirty 4040 5050 5555 6060

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.].Known metal plate flat-concave, flat-convex or concave-concave c hyperbolic surfaces lens [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].

Известна металлопластинчатая линза, приведенная 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, образованна 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.Known metal plate lens shown in [Takehito Suzuki, Masashi Sekiya, Hideaki Kitahara. Terahertz beam focusing through designed oblique metal-slit array // Applied Optics. - 2019. - Vol. 58, no. 15. - R. 4007-4013.]. A well-known metal plate lens with a plano-convex hyperbolic surface is formed by a lattice of successively arranged flat parallel metal plates set at an angle to the incident radiation and with equal distances between the plates. The lens is intended for focusing terahertz radiation and had a diameter of 17λ, where λ is the wavelength of the radiation used. Metal inclined plates were coated with gold and formed a medium with an effective refractive index of 1.31 at a frequency of 0.5 THz.

Достоинством известных линз является их простота и прочность, использование не резонансной среды по сравнению с известными метаматериалами.The advantage of known lenses is their simplicity and strength, the use of a non-resonant medium in comparison with known metamaterials.

Общим недостатком пластинчатых линз является низкое пространственное разрешение, большие габариты и использование искусственного материала с постоянным значением эффективного показателя преломления.A common disadvantage of plate lenses is the low spatial resolution, large dimensions, and the use of an artificial material with a constant value of the effective refractive index.

Субволновую фокусировку излучения в электромагнитном диапазоне можно осуществить используя так называемый эффект «фотонной наноструи», генерируемой трехмерной (3D) диэлектрической частицей произвольной 3D-формы и мезомасштабных (т.е. длины волны) размеров [I. V. Minin, O. V. Minin, Photonics of isolated dielectric particles of arbitrary three-dimensional shape—a new direction in optical information technology // Vestnik NGU Series: Information Technology 12 (2014) 69-70; I. V. Minin, O. V. Minin, Y.E. Geints, Localized EM and photonic jets from non-spherical and non-symmetrical dielectric mesoscale objects: Brief review // Annalen der Physik 527 (2015) 491-497].Subwave focusing of radiation in the electromagnetic range can be achieved using the so-called "photonic nanojet" effect generated by a three-dimensional (3D) dielectric particle of an arbitrary 3D shape and mesoscale (i.e., wavelength) dimensions [I. V. Minin, O. V. Minin, Photonics of isolated dielectric particles of arbitrary three-dimensional shape—a new direction in optical information technology // Vestnik NGU Series: Information Technology 12 (2014) 69-70; I.V. Minin, O.V. Minin, Y.E. Geints, Localized EM and photonic jets from non-spherical and non-symmetrical dielectric mesoscale objects: Brief review // Annalen der Physik 527 (2015) 491-497].

«Фотонные наноструи» – это узкая область фокусировки, формируемая на теневой границе диэлектрической частицы с различной формой поверхности, с относительно небольшими относительными показателями преломления (n≤2) [Boris S. Luk’yanchuk, Ramón Paniagua-Domínguez, Igor Minin, Oleg Minin, and Zengbo Wang. Refractive index less than two: photonic nanojets yesterday, today and tomorrow // Optical Materials Express Vol. 7, Issue 6, pp. 1820-1847 (2017) doi.org/10.1364/OME.7.001820.]."Photonic nanojets" is a narrow focus area formed on the shadow boundary of a dielectric particle with a different surface shape, with relatively small relative refractive indices (n≤2) [Boris S. Luk'yanchuk, Ramón Paniagua-Domínguez, Igor Minin, Oleg Minin , and Zengbo Wang. Refractive index less than two: photonic nanojets yesterday, today and tomorrow // Optical Materials Express Vol. 7, Issue 6, pp. 1820-1847 (2017) doi.org/10.1364/OME.7.001820.].

Акустическая струя (acoustojets) является аналогом «фотонной струи» в акустике [O.V. Minin and I.V. Minin, Acoustic analogue of photonic jet phenomenon based on penetrable 3D particle // Opt. Quant. Electron. 49, 54 (2017).].Acoustic jet (acoustojets) is an analogue of the "photon jet" in acoustics [O.V. Minin and I.V. Minin, Acoustic analogue of photonic jet phenomenon based on penetrable 3D particle, Opt. quant. electron. 49, 54 (2017).].

Известны акустически проводящие мезоразмерные частицы с характерным размером не менее λ, где λ – длина волны используемого излучения в среде, с относительным показателем преломления (продольной скоростью звука) в материале частицы относительно показателя преломления окружающей среды лежащего в диапазоне от 1,2 до 1,7 [Патент РФ 197437]. Такая линза формирует на ее внешней границе с противоположной стороны от падающего излучения области с повышенной концентрацией энергии (акустострую) и с поперечными размерами порядка λ/3 – λ/4. Acoustically conducting mesoscale particles are known with a characteristic size of at least λ, where λ is the wavelength of the radiation used in the medium, with a relative refractive index (longitudinal sound velocity) in the particle material relative to the refractive index of the environment lying in the range from 1.2 to 1.7 [Patent RF 197437]. Such a lens forms on its outer boundary, on the opposite side of the incident radiation, regions with an increased energy concentration (acoustic jet) and with transverse dimensions of the order of λ/3 – λ/4.

Известны фокусирующие устройства, фокусирующие излучение в субволновую область и состоящие из радиально неоднородной сферической частицы, образованной из нескольких концентрических оболочек с различными показателями преломления [S. Kong, A. Taflove, V. Backman, Quasi one-dimensional light beam generated by a graded-index microsphere // Opt. Express 17 (2009) 3722-3731; C. Ruiz, J. Simpson, Detection of embedded ultra subwavelength-thin dielectric features using elongated photonic nanojets // Opt. Express 18 (2010) 16805-16812; P. Wu, J. Li, K. Wei, W. Yue, Tunable and ultra-elongated photonic nanojet generated by a liquid-immersed core–shell dielectric microsphere // Appl. Phys. Express 8 (2015) 112001]. При этом показатель преломления n слоев варьировался от оптически более плотного ядра до менее плотной внешней оболочки.Known focusing devices that focus radiation in the subwavelength region and consisting of a radially inhomogeneous spherical particle formed from several concentric shells with different refractive indices [S. Kong, A. Taflove, V. Backman, Quasi one-dimensional light beam generated by a graded-index microsphere // Opt. Express 17 (2009) 3722-3731; C. Ruiz, J. Simpson, Detection of embedded ultra subwavelength-thin dielectric features using elongated photonic nanojets, Opt. Express 18 (2010) 16805-16812; P. Wu, J. Li, K. Wei, W. Yue, Tunable and ultra-elongated photonic nanojet generated by a liquid-immersed core–shell dielectric microsphere, Appl. Phys. Express 8 (2015) 112001]. In this case, the refractive index of n layers varied from an optically denser core to a less dense outer shell.

Достоинством известной линзы является возможность оптимизировать характеристики линзы (длину и ширины области фокусировки, распределения интенсивности излучения вдоль области фокусировки) в зависимости от величины и распределения градиента показателя преломления материала составляющую ее. The advantage of the known lens is the ability to optimize the characteristics of the lens (the length and width of the focusing area, the distribution of radiation intensity along the focusing area) depending on the magnitude and distribution of the gradient of the refractive index of the material that makes it up.

Недостатком линзы является ее сложность, скачкообразное изменение показателя преломления и невозможность ее применения для фокусировки мощного излучения. The disadvantage of the lens is its complexity, the abrupt change in the refractive index and the impossibility of using it to focus powerful radiation.

Известна мезоразмерная кубоидная градиентная линза [C.-Y. Liu, T.-P. Yen, O.V. Minin, I.V. Minin, Engineering photonic nanojet by a graded-index micro-cuboid // Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures (2018), doi: 10.1016/j.physe.2017.12.020.], состоящая из мезоразмерного кубоида с аксиально симметричным градиентом показателя преломления от более высокого показателя преломления на оптической оси линзы к менее высокому значению на ее периферии, образованная плоскими слоями материалов с различными значениями показателя преломления. Known mesoscale cuboid gradient lens [C.-Y. Liu, T.-P. Yen, O.V. Minin, I.V. Minin, Engineering photonic nanojet by a graded-index micro-cuboid // Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures (2018), doi: 10.1016/j.physe.2017.12.020.], consisting of a mesoscale cuboid with an axially symmetric gradient refractive index from a higher refractive index on the optical axis of the lens to a lower value on its periphery, formed by flat layers of materials with different refractive indices.

Достоинством кубоидной градиентной линзы является более высокая интенсивность поля в области фокусировки по сравнению с однородной мезоразмерной линзой и более высокое пространственное разрешение.The advantage of a cuboid gradient lens is a higher field intensity in the focus area compared to a uniform mesoscale lens and a higher spatial resolution.

Недостатком известной линзы является ее сложность, ограниченность выбора материалов необходимых для создания требуемого градиента линзы, отличного от материала окружающего пространства с необходимой скоростью звука и величиной импеданса для малых потерь излучения на отражение и невозможностью фокусировки высокоинтенсивного излучения. The disadvantage of the known lens is its complexity, the limited choice of materials necessary to create the required lens gradient, which is different from the material of the surrounding space with the required speed of sound and impedance for low reflection losses, and the impossibility of focusing high-intensity radiation.

Наиболее близким аналогом к заявляемому решению, принятым в качестве прототипа, является мезоразмерная акустическая линза в форме кубоида [Патент РФ 201846], состоящей из решетки параллельных пластин, установленных под углом +α к падающему излучению выше оптической оси линзы и под углом -α ниже оптической оси линзы, шириной пластин, равных длине грани кубоида, и выполненных из материала с величиной импеданса, отличного от импеданса окружающей среды. The closest analogue to the claimed solution, taken as a prototype, is a mesoscale acoustic lens in the form of a cuboid [RF Patent 201846], consisting of a lattice of parallel plates installed at an angle of +α to the incident radiation above the optical axis of the lens and at an angle of -α below the optical the lens axis, the width of the plates equal to the length of the cuboid face, and made of a material with an impedance value different from the environment impedance.

Недостатком акустической линзы в форме кубоида является низкая разрешающая способность и невозможность оптимизировать характеристики линзы (длину и ширину области фокусировки, распределения интенсивности излучения вдоль области фокусировки). The disadvantage of an acoustic lens in the form of a cuboid is the low resolution and the impossibility of optimizing the characteristics of the lens (the length and width of the focusing region, the distribution of radiation intensity along the focusing region).

Задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков, а именно повышение разрешающей способности мезоразмерной кубоидной линзы при возможности оптимизировать характеристики линзы (длину и ширину области фокусировки, распределения интенсивности излучения вдоль области фокусировки) за счет выполнения поперечного градиента эффективного показателя преломления материала.The objective of the present invention is to eliminate these disadvantages, namely, to increase the resolution of a mesodimensional cuboid lens, while optimizing the characteristics of the lens (the length and width of the focusing area, the distribution of radiation intensity along the focusing area) by performing a transverse gradient of the effective refractive index of the material.

Технический результат – обеспечение возможности субволновой фокусировки мезоразмерной кубоидной линзы и оптимизации характеристик линзы (длину и ширину области фокусировки, распределения интенсивности излучения вдоль области фокусировки) за счет выполнения непрерывного поперечного градиента эффективного показателя преломления материала.EFFECT: enabling subwavelength focusing of a mesodimensional cuboid lens and optimizing the characteristics of the lens (the length and width of the focusing area, the distribution of radiation intensity along the focusing area) due to the continuous transverse gradient of the effective refractive index of the material.

Задача достигается за счет того, что в мезоразмерной кубоидной пластинчатой линзе состоящей из решетки параллельных пластин, установленных под углом +α к падающему излучению выше оптической оси линзы и под углом -α ниже оптической оси линзы, шириной пластин, равных длине грани кубоида, и выполненных из материала с величиной импеданса, отличного от импеданса окружающей среды новым является то, что угол наклона пластин уменьшается поперек оптической оси линзы к ее периферии, создавая плавный градиент эффективного показателя преломления находящегося в диапазоне от менее 2 до 1,2.The task is achieved due to the fact that in a mesodimensional cuboid lamellar lens consisting of a lattice of parallel plates installed at an angle +α to the incident radiation above the optical axis of the lens and at an angle -α below the optical axis of the lens, the width of the plates is equal to the length of the face of the cuboid, and made From a material with an impedance value different from the ambient impedance, what is new is that the angle of inclination of the plates decreases across the optical axis of the lens towards its periphery, creating a smooth gradient in the effective refractive index ranging from less than 2 to 1.2.

Заявляемая акустическая линза обладает совокупностью существенных признаков, неизвестных из уровня техники для изделий подобного назначения и неизвестных из доступных источников научной, технической и патентной информации на дату подачи заявки на изобретение.The claimed acoustic lens has a set of essential features unknown from the prior art for products of this purpose and unknown from available sources of scientific, technical and patent information as of the date of filing an application for the invention.

На Фиг. 1 приведена схема акустической мезоразмерной кубоидной пластинчатой линзы с радиально симметричным непрерывным градиентом акустического показателя преломления.On FIG. Figure 1 shows a diagram of an acoustic mesoscale cuboid plate lens with a radially symmetric continuous acoustic refractive index gradient.

Обозначения: 1 – освещающее излучение, 2 – акустическая линза в форме кубоида, 3 – решетка параллельных пластин с изменяющимся углом +α вдоль пластины к падающему излучению выше оптической оси линзы; 4 – решетка параллельных пластин с изменяющимся углом -α вдоль пластины к падающему излучению ниже оптической оси линзы, 5 – область фокусировки, 6 – вещество окружающее линзу. Designations: 1 – illuminating radiation, 2 – acoustic lens in the form of a cuboid, 3 – array of parallel plates with a varying angle +α along the plate to the incident radiation above the optical axis of the lens; 4 - a lattice of parallel plates with a varying angle -α along the plate to the incident radiation below the optical axis of the lens, 5 - focusing area, 6 - the substance surrounding the lens.

В результате моделирования падения плоской волны на акустическую линзу (прототип), состоящей из решетки параллельных пластин установленных под углом +α к падающему излучению выше оптической оси линзы и под углом -α ниже оптической оси линзы, шириной пластин равных длине грани кубоида и выполненных из материала с величиной импеданса отличного от импеданса окружающей среды формируется область фокусировки с поперечными размерами порядка 0,4λ.As a result of modeling the incidence of a plane wave on an acoustic lens (prototype), consisting of a lattice of parallel plates installed at an angle of +α to the incident radiation above the optical axis of the lens and at an angle of -α below the optical axis of the lens, the width of the plates is equal to the length of the cuboid face and made of material with an impedance value different from the impedance of the environment, a focusing region with transverse dimensions of the order of 0.4λ is formed.

Установлено, что при уменьшении угла наклона пластин поперек оптической оси линзы к ее периферии, и тем самым создавая плавный непрерывный градиент эффективного показателя преломления, изменяются поперечные и продольные размеры области фокусировки, а также максимальная интенсивность поля в фокальной области. It has been established that when the angle of inclination of the plates across the optical axis of the lens to its periphery decreases, and thereby creating a smooth continuous gradient of the effective refractive index, the transverse and longitudinal dimensions of the focusing region, as well as the maximum field intensity in the focal region, change.

При эффективном показателе преломления на оптической оси линзы более 2 фокусировка излучения происходит внутри материала линзы. When the effective refractive index on the optical axis of the lens is more than 2, the radiation is focused inside the lens material.

При эффективном показателе преломления на периферии линзы менее 1,2 поперечные и продольные размеры области фокусировки, а также максимальная интенсивность поля не изменяются.When the effective refractive index at the periphery of the lens is less than 1.2, the transverse and longitudinal dimensions of the focusing area, as well as the maximum field intensity, do not change.

Экспериментальные исследования проводились в акустическом диапазоне длин волн с кубоидом с величиной ребра порядка от λ до 4λ и расположенном в воздухе. Акустический эффективный показатель преломления в каждой точке для такой линзы можно оценить по выражению: Experimental studies were carried out in the acoustic wavelength range with a cuboid with an edge of the order of λ to 4λ and located in air. The acoustic effective refractive index at each point for such a lens can be estimated by the expression:

n=cos^-1α.n=cos ^- 1α.

Установлено, что пространственное разрешение такого фокусирующего устройства составляет примерно 0,32λ, что лучше, чем у прототипа в 1,25 раза. Протяженность области фокусировки так же уменьшилась в 1,17 раза, а максимальная интенсивность поля увеличилась в 2,2 раза.It has been established that the spatial resolution of such a focusing device is approximately 0.32λ, which is 1.25 times better than that of the prototype. The length of the focusing region also decreased by 1.17 times, and the maximum field intensity increased by 2.2 times.

Изменяя закон градиента показателя преломления материала можно оптимизировать основные параметры линзы.By changing the law of the gradient of the refractive index of the material, it is possible to optimize the main parameters of the lens.

Работа устройства происходит следующим образом. Освещающее излучение 1 падает на акустическую линзу в форме кубоида 2. Материалом акустической линзы 2 является решетка параллельных пластин установленных под углом +α к падающему излучению выше оптической оси линзы 3 и решетка параллельных пластин установленных под углом -α к падающему излучению ниже оптической оси линзы 4.The operation of the device is as follows. The illuminating radiation 1 falls on an acoustic lens in the form of a cuboid 2. The material of the acoustic lens 2 is a lattice of parallel plates set at an angle of +α to the incident radiation above the optical axis of the lens 3 and a lattice of parallel plates set at an angle of -α to the incident radiation below the optical axis of the lens 4 .

Решетка параллельных пластин была выполнена из материала с величиной импеданса, отличного от импеданса окружающей среды, например, стали толщиной 0,05λ. При этом угол α изменялся вдоль пластины в радиальном направлении, изменяя эффективный показатель преломления материала составляющего линзу. Акустическая волна, проходя больший путь вдоль материала решетки, имеет эффективную скорость звука меньше, чем при распространении вдоль поверхности линзы. Особенностью устройства является то, что вещество окружающее линзу 6 находится и между параллельными пластинами линзы и относительный показатель преломления не зависит от показателя преломления окружающей среды.The array of parallel plates was made of a material with an impedance different from that of the environment, such as steel with a thickness of 0.05λ. In this case, the angle α changed along the plate in the radial direction, changing the effective refractive index of the material constituting the lens. An acoustic wave, passing a longer path along the grating material, has an effective speed of sound less than when propagating along the lens surface. A feature of the device is that the substance surrounding the lens 6 is located between the parallel plates of the lens and the relative refractive index does not depend on the refractive index of the environment.

В результате дифракции акустической волны на углах кубоида и интерференции волн, прошедших через линзу, формируется область фокусировки 5 вдоль оптической оси кубоида на его теневой стороне.As a result of the diffraction of an acoustic wave at the corners of the cuboid and the interference of waves transmitted through the lens, a focusing region 5 is formed along the optical axis of the cuboid on its shadow side.

Достоинством предлагаемой акустической линзы является независимость ее фокусирующих свойств от параметров окружающей среды (скорости звука), так как материал окружающей среды находится в структуре линзы, а ее относительный показатель преломления зависит только от физической длины параллельных пластин или от угла наклона этих пластин по отношению к падающему излучению. Кроме того, необходимый плавный градиент показателя преломления и его величина легко реализуются за счет плавного изменения угла α.The advantage of the proposed acoustic lens is the independence of its focusing properties from the parameters of the environment (speed of sound), since the material of the environment is in the structure of the lens, and its relative refractive index depends only on the physical length of the parallel plates or on the angle of inclination of these plates with respect to the incident radiation. In addition, the required smooth gradient of the refractive index and its value are easily realized by smoothly changing the angle α.

Данная акустическая линза может применяться для субволновой фокусировки акустических волн как в газах, так и жидкостях. По сравнению с газовыми акустическими линзами предлагаемая линза обладает достаточной прочностью и надежностью, что позволяет ее использовать для фокусировки мощного излучения.This acoustic lens can be used for subwavelength focusing of acoustic waves in both gases and liquids. Compared to gas acoustic lenses, the proposed lens has sufficient strength and reliability, which allows it to be used for focusing powerful radiation.

Методы субволновой фокусировки на основе эффекта «фотонной струи» в акустике могут быть успешно применены и в электромагнитном диапазоне. Формально, это можно утверждать на основе аналогии между уравнениями, описывающими акустические и электромагнитные волновые процессы. В результате проведенного анализа в работах [В. Л. Бычков. О гидродинамических аналогиях между уравнениями классической гидродинамики и электродинамики в электрохимии // Химическая физика. 2014, том 33, No 3, с. 75–83; Иванов М. Я. Об аналогии между газодинамическими и электродинамическими моделями // Физическая мысль России. 1998. В. 1. – С. 3–14; O.V. Minin and I.V. Minin, Acoustic analogue of photonic jet phenomenon based on penetrable 3D particle // Opt. Quant. Electron. 49, 54 (2017)] установлена формальная аналогия между уравнениями гидродинамики для идеальной несжимаемой жидкости и уравнениями Максвелла. А для газов и жидкостей есть полная аналогия с электромагнитным диапазоном длин волн. Существует очень близкая аналогия между уравнениями акустики и системой уравнений Максвелла, которые в 2-мерном случае даже записываются одинаково, с точностью до обозначений.Methods of subwavelength focusing based on the "photon jet" effect in acoustics can be successfully applied in the electromagnetic range as well. Formally, this can be argued on the basis of an analogy between the equations describing acoustic and electromagnetic wave processes. As a result of the analysis in the works [V. L. Bychkov. On hydrodynamic analogies between the equations of classical hydrodynamics and electrodynamics in electrochemistry // Chemical Physics. 2014, Volume 33, No 3, p. 75–83; Ivanov M. Ya. On the analogy between gas-dynamic and electrodynamic models // Physical Thought of Russia. 1998. V. 1. - S. 3–14; O.V. Minin and I.V. Minin, Acoustic analogue of photonic jet phenomenon based on penetrable 3D particle, Opt. quant. electron. 49, 54 (2017)] established a formal analogy between the equations of hydrodynamics for an ideal incompressible fluid and Maxwell's equations. And for gases and liquids there is a complete analogy with the electromagnetic wavelength range. There is a very close analogy between the equations of acoustics and the system of Maxwell's equations, which in the 2-dimensional case are even written in the same way, up to notation.

Это означает, что предложенная акустическая меторазмерная кубоидная градиентная линза будет работать и в электромагнитном диапазоне длин волн. This means that the proposed acoustic metadimensional cuboid gradient lens will also work in the electromagnetic wavelength range.

Claims

Meso-dimensional cuboid plate lens, consisting of a lattice of parallel plates installed at an angle of +α to the incident radiation above the optical axis of the lens and at an angle of -α below the optical axis of the lens, with a plate width equal to the length of the cuboid face, and made of a material with an impedance value different from from the impedance of the environment, characterized in that the angle of inclination of the plates decreases across the optical axis of the lens to its periphery, creating a smooth gradient of the effective refractive index, which is in the range from less than 2 to 1.2.