RU2816342C1 - Method of focusing electromagnetic radiation - Google Patents
Method of focusing electromagnetic radiation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2816342C1 RU2816342C1 RU2023118605A RU2023118605A RU2816342C1 RU 2816342 C1 RU2816342 C1 RU 2816342C1 RU 2023118605 A RU2023118605 A RU 2023118605A RU 2023118605 A RU2023118605 A RU 2023118605A RU 2816342 C1 RU2816342 C1 RU 2816342C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- lens
- refractive index
- spherical
- electromagnetic radiation
- shell
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 34
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 title claims abstract description 29
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 42
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 27
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 25
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims abstract description 10
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 claims abstract description 6
- 238000005339 levitation Methods 0.000 claims description 7
- 230000003075 superhydrophobic effect Effects 0.000 claims description 7
- 239000012188 paraffin wax Substances 0.000 claims description 6
- 229920000098 polyolefin Polymers 0.000 claims description 4
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 4
- 239000001993 wax Substances 0.000 claims description 3
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 abstract description 7
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 5
- 238000005286 illumination Methods 0.000 abstract description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 16
- 239000011162 core material Substances 0.000 description 9
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 9
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 7
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 6
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 6
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 5
- 238000007710 freezing Methods 0.000 description 5
- 230000008014 freezing Effects 0.000 description 5
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 5
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 5
- 239000004005 microsphere Substances 0.000 description 5
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 4
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 4
- -1 polyethylene Polymers 0.000 description 4
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 3
- 238000012552 review Methods 0.000 description 3
- 239000012798 spherical particle Substances 0.000 description 3
- 241000322409 Brunfelsia pauciflora Species 0.000 description 2
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 description 2
- 239000004743 Polypropylene Substances 0.000 description 2
- 238000010835 comparative analysis Methods 0.000 description 2
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 2
- 238000004624 confocal microscopy Methods 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 239000013505 freshwater Substances 0.000 description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 2
- 238000007654 immersion Methods 0.000 description 2
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 description 2
- 229920001155 polypropylene Polymers 0.000 description 2
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 2
- 239000004071 soot Substances 0.000 description 2
- 241000212384 Bifora Species 0.000 description 1
- 239000011358 absorbing material Substances 0.000 description 1
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 1
- 239000011797 cavity material Substances 0.000 description 1
- 210000003850 cellular structure Anatomy 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 238000005553 drilling Methods 0.000 description 1
- 238000010292 electrical insulation Methods 0.000 description 1
- 239000000945 filler Substances 0.000 description 1
- 229920002313 fluoropolymer Polymers 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 1
- 238000004093 laser heating Methods 0.000 description 1
- 238000002430 laser surgery Methods 0.000 description 1
- 238000001221 laser-assisted particle removal Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 239000011859 microparticle Substances 0.000 description 1
- 238000003801 milling Methods 0.000 description 1
- 239000002077 nanosphere Substances 0.000 description 1
- 238000009659 non-destructive testing Methods 0.000 description 1
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 1
- 239000003208 petroleum Substances 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 229920000306 polymethylpentene Polymers 0.000 description 1
- 239000011116 polymethylpentene Substances 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000009738 saturating Methods 0.000 description 1
- 239000011343 solid material Substances 0.000 description 1
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 1
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N titanium dioxide Inorganic materials O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 238000007514 turning Methods 0.000 description 1
Abstract
Description
Настоящее изобретение относится к способам фокусировки электромагнитного излучения с использованием диэлектрических линз, а более точно, касается шаровой однородной диэлектрической линзы и может использоваться в капельных микроскопах.The present invention relates to methods for focusing electromagnetic radiation using dielectric lenses, and more specifically, concerns a spherical homogeneous dielectric lens and can be used in droplet microscopes.
Известны разнообразные сферические линзы из диэлектрика в форме шара с переменным показателем преломления, например, [Люнебург, Р. К. (1944). Математическая теория оптики. Провиденс, Род-Айленд: Университет Брауна. Стр. 189-213; Antenna Enqineerinq Handbook, Mc. Grow-Hill Book Co. New York, 1984; Skolnik M.J. Introduction to radar Systems Mc. Grow-Hill Book Co. New York, 1980; Schrank H.E. In. Proc. 7th Electrical Insulation. Conf. New York, 1967, 15 19/x; S.P. Morgan. General solution of the Luneberg lens problem. Jour. Appl. Physics, 29(9), 1958, 1358; Зелкин Е.Т., Петрова Р.А. Линзовые антенны. М. Сов. Радио. 1974 280 с.; В. В. Ахияров. Исследование линзовых антенн из неоднородного диэлектрика методом переболического уравнения // Журнал Радиоэлектроники, N12, 2015, с. 1-20; Беляев М.П., Пастернак Ю.Г., Пендюрин В.А., Рогозин Е.А., Рогозин Р.Е. Сравнительный анализ конструкций сферических линз Люнеберга // Радиотехника. 2021. Т. 85. № 8. С. 91−100].A variety of spherical dielectric lenses in the shape of a ball with a variable refractive index are known, for example, [Luneburg, R. K. (1944). Mathematical theory of optics. Providence, RI: Brown University. Page 189-213; Antenna Enqineering Handbook, Mc. Grow-Hill Book Co. New York, 1984; Skolnik M.J. Introduction to radar systems Mc. Grow-Hill Book Co. New York, 1980; Schrank H.E. In. Proc. 7th Electrical Insulation. Conf. New York, 1967, 15 19/x; S.P. Morgan. General solution of the Luneberg lens problem. Jour. Appl. Physics, 29(9), 1958, 1358; Zelkin E.T., Petrova R.A. Lens antennas. M. Sov. Radio. 1974 280 pp.; V.V. Akhiyarov. Study of lens antennas made of inhomogeneous dielectric by the perbolic equation method // Journal of Radioelectronics, N12, 2015, p. 1-20; Belyaev M.P., Pasternak Yu.G., Pendyurin V.A., Rogozin E.A., Rogozin R.E. Comparative analysis of the designs of spherical Luneberg lenses // Radio engineering. 2021. T. 85. No. 8. P. 91−100].
Достоинством шаровых линз из диэлектрика с переменным показателем преломления является их практически неограниченная широкоугольность, многоугольность и широкополосность. Такие устройства могут быть изготовлены для использования с электромагнитным излучением от видимого света и инфракрасного излучения до радиоволн.The advantage of spherical lenses made of dielectric with a variable refractive index is their practically unlimited wide-angle, polygonality and broadband. Such devices can be manufactured for use with electromagnetic radiation ranging from visible light and infrared radiation to radio waves.
Недостатком шаровой линзы из диэлектрика с переменным показателем преломления является их сложность. The disadvantage of variable index dielectric ball lenses is their complexity.
Известны однородные шаровые акустические линзы, состоящие из тонкой звукопроводящей оболочки заполненной углекислым газом [Т. Tarnoczy. Sound focussing lenses and waveguides // Ultrasonics, July-September, 1965, p. 115-127; Патент США №3483504, Donald L. Folds, David H. Brown, Henry L. Warner. Transducer, Aug. 23, 1967, patented Dec. 9, 1969; Патент РФ №778812 B.A. Кирдяков, Б.С. Суриков, Ю.И. Громов, А.Г. Семенов. Акустическая линза, заяв. 10.11.78, опуб. БИ №42, 15.11.80 г.; US Patent N 1895442, Willian Rushton Bowker, Sound Control and Transvission System, patented Jan. 31, 1933, Application March 13, 1930].Homogeneous spherical acoustic lenses are known, consisting of a thin sound-conducting shell filled with carbon dioxide [T. Tarnoczy. Sound focusing lenses and waveguides // Ultrasonics, July-September, 1965, p. 115-127; US Patent No. 3483504, Donald L. Folds, David H. Brown, Henry L. Warner. Transducer, Aug. 23, 1967, patented Dec. 9, 1969; RF Patent No. 778812 B.A. Kirdyakov, B.S. Surikov, Yu.I. Gromov, A.G. Semenov. Acoustic lens, app. 11/10/78, pub. BI No. 42, 11/15/80; US Patent N 1895442, Willian Rushton Bowker, Sound Control and Transvision System, patented Jan. 31, 1933, Application March 13, 1930].
Известна акустическая линза, описанная в [Derek С. Thomas, Kent L. Gee, and R. Steven Turley. A balloon lens: Acoustic scattering from a penetrable sphere // American Journal of Physics 77, 197 (2009)], содержащая оболочку из податливого материала, заполненного газом, при этом оболочка выполнена в виде сферы с диаметром не менее длины волны излучения в окружающем пространстве линзы, а заполняемое вещество оболочки линзы имеет скорость звука относительно скорости звука в окружающей среде, равного 0,752.An acoustic lens is known, described in [Derek C. Thomas, Kent L. Gee, and R. Steven Turley. A balloon lens: Acoustic scattering from a penetrable sphere // American Journal of Physics 77, 197 (2009)], containing a shell of a pliable material filled with gas, while the shell is made in the form of a sphere with a diameter not less than the wavelength of radiation in the surrounding space lenses, and the filled substance of the lens shell has a speed of sound relative to the speed of sound in the environment equal to 0.752.
Известные акустические линзы позволяют осуществить фокусировку акустического излучения в газе и жидкости.Known acoustic lenses make it possible to focus acoustic radiation in gas and liquid.
Недостатком шаровых акустических линз является невысокая эффективность фокусировки излучения, ограниченное количество материалов с необходимыми параметрами и используемых в шаровых линзах. The disadvantage of spherical acoustic lenses is the low efficiency of focusing radiation, a limited number of materials with the necessary parameters used in spherical lenses.
Взаимодействие излучения видимого и инфракрасного диапазонов с прозрачными шарами достаточно хорошо изучено и известно давно [Минин И.В., Минин О.В. Фотонные струи в науке и технике // Вестник СГУГиТ, Т. 22, № 2, 2017, с. 212-234.; Minin I. V., Minin O. V. Diffractive optics and nanophotonics: Resolution below the diffraction limit. - Springer, 2016 [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.springer.com/us/book/9783319242514#aboutBook], было известно их фокусирующее действие.The interaction of radiation in the visible and infrared ranges with transparent balls has been quite well studied and has been known for a long time [Minin I.V., Minin O.V. Photon jets in science and technology // Vestnik SGUGiT, T. 22, No. 2, 2017, p. 212-234.; Minin I. V., Minin O. V. Diffractive optics and nanophotonics: Resolution below the diffraction limit. - Springer, 2016 [Electronic resource]. - Access mode: http://www.springer.com/us/book/9783319242514#aboutBook], their focusing effect was known.
Внимание ученых прозрачные сферические частицы привлекли достаточно давно. Английский епископ, Роберт Гроссетест (1175-1253), описал фокусирующие свойства шаровой линзы (сферический стеклянный сосуд заполненный водой) [C. Crombie. (1971). Robert Grosseteste and the Origins of Experimental Science. Oxford: Clarendon Press, 369 р.].Transparent spherical particles have attracted the attention of scientists for a long time. The English bishop, Robert Grosseteste (1175-1253), described the focusing properties of a spherical lens (a spherical glass vessel filled with water) [C. Crombie. (1971). Robert Grosseteste and the Origins of Experimental Science. Oxford: Clarendon Press, 369 r.].
Известен способ фокусировки электромагнитного излучения, включающий источник электромагнитного излучения, формирующий электромагнитную волну с плоским фронтом, облучающей диэлектрическую однородной шаровую линзу с диаметром, сравнимым с длиной волны падающего излучения, выполненную из слабопоглощающего материала с показателем преломления менее 2, обладающей свойствами сверхразрешения и расположенной вдоль направления распространения излучения [Гейнц Ю.Э., Земляное А.А., Панина Е.К. Сравнительный анализ пространственных форм фотонных струй от сферических диэлектрических микрочастиц // Оптика атмосферы и океана. 2012. Т. 25, №5. С. 417-424; E. McLeod and V. Arnold, Subwavelength direct-write nanopatterning using optically trapped microspheres // Nature Nanotechnology 3, 413-417 (2008).; V. N. Astratov, A. Darafsheh, M. D. Kerr, K. W. Allen, N. M. Fried, A. N. Antoszyk, and H. S. Ying, Photonic nanojets for laser surgery // SPIE Newsroom 12, 32-34 (2010).; 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); Darafsheh A, Limberopoulos NI, Derov JS, W DE Jr, Astratov VN. Advantages of microsphere-assisted super-resolution imaging technique over solid immersion lens and confocal microscopies Advantages of microsphere-assisted super-resolution imaging technique over solid immersion lens and confocal microscopies. Appl Phys Lett. 2014;061117. doi: 10.1063/1.4864760].There is a known method of focusing electromagnetic radiation, including a source of electromagnetic radiation that forms an electromagnetic wave with a flat front, irradiating a dielectric homogeneous spherical lens with a diameter comparable to the wavelength of the incident radiation, made of a weakly absorbing material with a refractive index of less than 2, having super-resolution properties and located along the direction propagation of radiation [Geintz Yu.E., Zemlyanoye A.A., Panina E.K. Comparative analysis of the spatial forms of photon jets from spherical dielectric microparticles // Atmosphere and Ocean Optics. 2012. T. 25, No. 5. pp. 417-424; E. McLeod and V. Arnold, Subwavelength direct-write nanopatterning using optically trapped microspheres // Nature Nanotechnology 3, 413-417 (2008). V. N. Astratov, A. Darafsheh, M. D. Kerr, K. W. Allen, N. M. Fried, A. N. Antoszyk, and H. S. Ying, Photonic nanojets for laser surgery // SPIE Newsroom 12, 32-34 (2010).; 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); Darafsheh A, Limberopoulos NI, Derov JS, W DE Jr, Astratov VN. Advantages of microsphere-assisted super-resolution imaging technique over solid immersion lens and confocal microscopies Advantages of microsphere-assisted super-resolution imaging technique over solid immersion lens and confocal microscopies. Appl Phys Lett. 2014;061117. doi:10.1063/1.4864760].
Недостатком шаровой мезоразмерной диэлектрической линзы является низкая интенсивность излучения в области фокуса, ограниченное количество материалов с необходимыми параметрами используемых в шаровых линзах. The disadvantage of a spherical mesosized dielectric lens is the low radiation intensity in the focal area and the limited number of materials with the necessary parameters used in spherical lenses.
Известны шаровые однородные линзы, предназначенные для работы в микроволновом диапазоне, например, [T.C. Cheston, E.J. Luoma. Constant-K Lenses // APL Technical Digest, March-April 1963, 8-11; G. Bekefi, G.W. Farnell. A Homogeneous Dielectric Sphere as a Microwave Lens // Can. J. Phys. 34, 1956, 790-803.; R.N. Assaly. Experimental Investigation of a Homogeneous Dielectric Sphere as a Microwave Lens // Can. J. Phys., 36, 1958, 1430-1435].Known spherical homogeneous lenses designed for operation in the microwave range, for example, [T.C. Cheston, E.J. Luoma. Constant-K Lenses // APL Technical Digest, March-April 1963, 8-11; G. Bekefi, G.W. Farnell. A Homogeneous Dielectric Sphere as a Microwave Lens // Can. J. Phys. 34, 1956, 790-803.; R.N. Assaly. Experimental Investigation of a Homogeneous Dielectric Sphere as a Microwave Lens // Can. J. Phys., 36, 1958, 1430-1435].
Недостатком шаровой мезоразмерной микроволновой диэлектрической линзы является низкая интенсивность излучения в области фокуса, ограниченное количество материалов с необходимыми параметрами используемых в шаровых линзах. The disadvantage of a spherical mesosized microwave dielectric lens is the low radiation intensity in the focal area and the limited number of materials with the necessary parameters used in spherical lenses.
Известен способ фокусировки электромагнитного излучения по патенту РФ 2790963, в котором с помощью источника монохроматического когерентного электромагнитного излучения формируют плоскую электромагнитную волну, которой освещают шарообразную однородную мезомасштабную линзу, выполненную из материала с относительным показателем преломления относительно показателя преломления окружающей среды, находящимся в диапазоне, равном 1,9≤n<2, и относительным диаметром, равным D/λ<30, путем изменения частоты падающей электромагнитной волны или с помощью выбора размера диаметра мезоразмерной линзы в мезоразмерной линзе возбуждают суперрезонансные моды Ми высокого порядка, при этом электромагнитное излучение формирует фокальное пятно с субволновым размером и высоким значением интенсивности электромагнитного поля.There is a known method for focusing electromagnetic radiation according to RF patent 2790963, in which, using a source of monochromatic coherent electromagnetic radiation, a plane electromagnetic wave is formed, which illuminates a spherical homogeneous mesoscale lens made of a material with a relative refractive index relative to the refractive index of the environment, which is in the range equal to 1 ,9≤n<2, and a relative diameter equal to D/λ<30, by changing the frequency of the incident electromagnetic wave or by choosing the size of the diameter of the meso-sized lens, high-order super-resonant Mie modes are excited in the meso-sized lens, while the electromagnetic radiation forms a focal spot with subwavelength size and high electromagnetic field intensity.
Достоинством способа являются обеспечение высокого пространственного разрешения и высокой интенсивности электромагнитного поля в области фокуса шарообразной однородной мезомасштабной линзы.The advantage of the method is the provision of high spatial resolution and high intensity of the electromagnetic field in the focal area of a spherical homogeneous mesoscale lens.
Недостатком способа является его резонансный характер, ограниченное количество материалов с необходимыми параметрами используемых в шаровых линзах. The disadvantage of this method is its resonant nature and the limited number of materials with the necessary parameters used in ball lenses.
Известен способ фокусировки электромагнитного излучения, заключающийся в облучении электромагнитным излучением шаровой линзы с характерным размером не менее длины волны освещающего излучения, выполненной из прозрачного для освещающего излучения материала ядра, с максимальным относительным показателем преломления по отношению к показателю преломления окружающей среды не более 2 и одной или нескольких оболочек с показателем преломления менее показателя преломления ядра шаровой линзы и формирования непосредственно на ее теневой поверхности области фокусировки излучения [S.-C. Kong, A. Taflove, and V. Backman, Quasi one-dimensional light beam generated by a graded-index microsphere // Opt. Express 17(5), 3722–3731 (2009); César Méndez Ruiz and Jamesina J. Simpson. Detection of embedded ultra-subwavelength-thin dielectric features using elongated photonic nanojets // Optics Express Vol. 18, Issue 16, pp. 16805-16812 (2010); Ю. Э. Гейнц, А. А. Землянов, Е. К. Панина, Эффект «фотонной наноструи» в многослойных микронных сферических частицах, Квантовая электроника, 2011, том 41, номер 6, 520–525]. Основной идеей способа является плавное согласование коэффициента преломления ядра шаровой линзы с окружающей средой, т.е. создание градиентной диэлектрической сферической линзы.There is a known method of focusing electromagnetic radiation, which consists in irradiating with electromagnetic radiation a spherical lens with a characteristic size of at least the wavelength of the illuminating radiation, made of a core material transparent to illuminating radiation, with a maximum relative refractive index in relation to the refractive index of the environment of no more than 2 and one or several shells with a refractive index less than the refractive index of the core of a ball lens and the formation of a radiation focusing region directly on its shadow surface [S.-C. Kong, A. Taflove, and V. Backman, Quasi one-dimensional light beam generated by a graded-index microsphere // Opt. Express 17(5), 3722–3731 (2009); César Méndez Ruiz and Jamesina J. Simpson. Detection of embedded ultra-subwavelength-thin dielectric features using elongated photonic nanojets // Optics Express Vol. 18, Issue 16, pp. 16805-16812 (2010); Yu. E. Geintz, A. A. Zemlyanov, E. K. Panina, “Photon nanojet” effect in multilayer micron spherical particles, Quantum Electronics, 2011, volume 41, number 6, 520–525]. The main idea of the method is the smooth matching of the refractive index of the ball lens core with the environment, i.e. creation of a gradient dielectric spherical lens.
Недостатком способа является невозможность динамического управления параметрами области фокусировки излучения, ограниченное количество материалов с необходимыми параметрами и используемых в шаровых линзах.The disadvantage of this method is the impossibility of dynamic control of the parameters of the radiation focusing area, the limited number of materials with the necessary parameters and used in spherical lenses.
Известен способ построения изображения в капельном микроскопе на основе струйно-капельных оптических измерительных систем (СКОИС), в которых капля и/или капельный поток применяются как управляемые оптические элементы [Леун Е. В. Вопросы построения струйно-капельных оптических измерительных систем: принцип и режимы работы, возможности и основные характеристики // Омский научный вестник. 2018. № 6 (162). С. 189–195. DOI: 10.25206/1813-8225-2018-162-189-195; Леун Е. В. Вопросы построения струйно-капельных оптических измерительных систем: регистрация сигналов акустической эмиссии и измерение температуры в зоне резания при точении, сверлении и фрезеровании // Омский научный вестник. 2019. № 1 (163). С. 55–61. DOI 10.25206/1813-8225-2019-163-55-61; Леун Е. В. Электрокаплеструйный микроскоп для активного контроля неровностей поверхности изделия // Динамика систем, механизмов и машин: материалы XII Междунар. IEEE науч.-техн. конф. 2018. Т. 6, № 4. С. 39–47; E. Leun. Droplet microscope for controlling product surface irregularities based on the jet-droplet optical measurement system // AIP Conference Proceedings 2171, 110014 (2019); https://doi.org/10.1063/1.5133248 Published Online: 15 November 2019], заключающийся в формировании направленного на объект исследования одного гидропотока сформированного на основе монодисперсного когерентного капельного потока, создаваемого под давлением в емкости, заполненной жидкостью, с соплом, использовании капли жидкости, летящей к объекту исследования в качестве сферической оптической линзы для передачи изображения поверхности этого объекта, синхронизации работы регистратора с такой микролинзой при внешнем импульсном освещении и осуществлении фоторегистрации изображения объекта исследования. В этом способе капля жидкости представляет собой оптическую фокусирующую линзу с синхронной регистрацией изображения, т.е. фактически реализующий капельный микроскоп. Летящие капли жидкости собирают оптическое излучение, отраженное поверхностью объекта исследования, направляя его на регистратор, выполненный в виде стеклянной линзы, освещении ПЗС-матрицы и получения цифрового выходного сигнала преобразованного изображения на вход схемы управления.There is a known method for constructing an image in a drop microscope based on jet-drop optical measuring systems (SKOIS), in which a drop and/or drop flow are used as controlled optical elements [Leun E. V. Issues of constructing jet-drop optical measuring systems: principle and modes work, opportunities and main characteristics // Omsk Scientific Bulletin. 2018. No. 6 (162). pp. 189–195. DOI: 10.25206/1813-8225-2018-162-189-195; Leun E. V. Issues of constructing jet-drop optical measuring systems: recording acoustic emission signals and measuring temperature in the cutting zone during turning, drilling and milling // Omsk Scientific Bulletin. 2019. No. 1 (163). pp. 55–61. DOI 10.25206/1813-8225-2019-163-55-61; Leun E.V. Electric jet microscope for active control of product surface irregularities // Dynamics of systems, mechanisms and machines: materials of the XII Intern. IEEE Sci. Tech. conf. 2018. T. 6, no. 4. pp. 39–47; E. Leun. Droplet microscope for controlling product surface irregularities based on the jet-droplet optical measurement system // AIP Conference Proceedings 2171, 110014 (2019); https://doi.org/10.1063/1.5133248 Published Online: November 15, 2019], which consists in the formation of one hydroflow directed at the object of study, formed on the basis of a monodisperse coherent droplet flow created under pressure in a container filled with liquid, with a nozzle, using a drop liquid flying towards the object of study as a spherical optical lens to transmit an image of the surface of this object, synchronizing the operation of the recorder with such a microlens under external pulsed illumination and performing photo-recording of the image of the object of study. In this method, a drop of liquid is an optical focusing lens with synchronous image registration, i.e. actually implementing a drop microscope. Flying drops of liquid collect optical radiation reflected by the surface of the object under study, directing it to a recorder made in the form of a glass lens, illuminating the CCD matrix and receiving a digital output signal of the converted image to the input of the control circuit.
Размеры капель могут быть до ≈ 100-1000 мкм, их сферичность и однородность по размеру не хуже 0,5 % и 0,1 %.The droplet sizes can be up to ≈ 100-1000 microns, their sphericity and size uniformity are no worse than 0.5% and 0.1%.
Недостатком способа является невозможность динамического управления параметрами области фокусировки излучения, ограниченное количество материалов с необходимыми параметрами и используемых в шаровых линзах.The disadvantage of this method is the impossibility of dynamic control of the parameters of the radiation focusing area, the limited number of materials with the necessary parameters and used in spherical lenses.
В качестве прототипа выбран способ фокусировки электромагнитного излучения [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)], в котором с помощью источника монохроматического когерентного электромагнитного излучения формируют плоскую электромагнитную волну, которой освещают шаровую диэлектрическую однородную мезомасштабную линзу, выполненную из материала прозрачного для освещающего излучения и с относительным показателем преломления относительно показателя преломления окружающей среды не более 2, с диаметром более длины волны освещающего излучения.A method for focusing electromagnetic radiation was chosen as a prototype [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)], in which, using a source of monochromatic coherent electromagnetic radiation, a plane electromagnetic wave is formed, which illuminates a spherical dielectric homogeneous mesoscale lens made of a material transparent to illuminating radiation and with a relative refractive index relative to the refractive index of the environment of no more than 2 , with a diameter greater than the wavelength of the illuminating radiation.
Недостатком шаровой мезоразмерной микроволновой диэлектрической линзы является низка интенсивность излучения в области фокуса, ограниченное количество материалов с необходимыми параметрами и используемых в шаровых линзах. The disadvantage of a spherical mesosized microwave dielectric lens is the low radiation intensity in the focal area and the limited number of materials with the necessary parameters used in spherical lenses.
Задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков, а именно разработка способ динамической фокусировки электромагнитного излучения шаровой однородной мезомасштабной линзы с высокой интенсивностью электромагнитного поля в области фокуса, при расширении номенклатуры применяемых материалов.The objective of the present invention is to eliminate these disadvantages, namely to develop a method for dynamic focusing of electromagnetic radiation from a spherical homogeneous mesoscale lens with a high intensity electromagnetic field in the focal area, while expanding the range of materials used.
Указанная задача достигается тем, что в способе фокусировки электромагнитного излучения, в котором с помощью источника монохроматического когерентного электромагнитного излучения формируют плоскую электромагнитную волну, которой освещают шаровую диэлектрическую однородную мезомасштабную линзу, выполненную из материала прозрачного для освещающего излучения и с относительным показателем преломления относительно показателя преломления окружающей среды не более 2, с диаметром более длины волны освещающего излучения, новым является то, что шаровая линза выполнена из воды и симметрично охлаждается с образованием оболочки с коэффициентом преломления менее коэффициента преломления материала линзы или шаровая линза выполнена из материала который при симметричном нагреве образует оболочку с коэффициентом преломления менее коэффициента преломления материала шаровой линзы и шаровая линза симметрично нагревается. Кроме того, в качестве материала диэлектрической шаровой линзы, который при симметричном нагреве образует оболочку с коэффициентом преломления менее коэффициента преломления материала шаровой линзы, используют лед, воск, парафин, полиолефины. Кроме того, шаровая линза размещается на подложке с супергидрофобной поверхностью. Кроме того, шаровая линза размещают в пространстве за счет эффекта левитации. This task is achieved by the fact that in the method of focusing electromagnetic radiation, in which, using a source of monochromatic coherent electromagnetic radiation, a plane electromagnetic wave is formed, which illuminates a spherical dielectric homogeneous mesoscale lens made of a material transparent to illuminating radiation and with a relative refractive index relative to the refractive index of the surrounding environment no more than 2, with a diameter greater than the wavelength of the illuminating radiation, what is new is that the spherical lens is made of water and is symmetrically cooled to form a shell with a refractive index less than the refractive index of the lens material, or the spherical lens is made of a material that, when symmetrically heated, forms a shell with the refractive index is less than the refractive index of the ball lens material and the ball lens is heated symmetrically. In addition, ice, wax, paraffin, and polyolefins are used as a dielectric ball lens material, which, when symmetrically heated, forms a shell with a refractive index less than the refractive index of the ball lens material. In addition, the ball lens is placed on a substrate with a superhydrophobic surface. In addition, the ball lens is placed in space due to the levitation effect.
Авторам неизвестны технические решения, содержащие сходные отличительные признаки и их использование для заявленной цели - увеличения интенсивности электромагнитного поля в области фокуса.The authors are unaware of technical solutions containing similar distinctive features and their use for the stated purpose - increasing the intensity of the electromagnetic field in the focal area.
Фотонные наноструи - это узкая область фокусировки, формируемая на теневой границе диэлектрической частицы со сферической формой поверхности, с относительно небольшими относительными показателями преломления (N≤2), с протяженностью более длины волны излучения λ и минимальной шириной порядка λ/3-λ/4 [Y. F. Lu, L. Zhang, W. D. Song, Y. W. Zheng, and B. S. Luk’yanchuk, Laser writing of a subwavelength structure on silicon (100) surfaces with particle enhanced optical irradiation // JETP Lett. 72(9), 457–459 (2000); S. M. Huang, M. H. Hong, B. S. Luk'yanchuk, Y. W. Zheng, W. D. Song, Y. F. Lu, et al., Pulsed laser-assisted surface structuring with optical near-field enhanced effects // Journal of Applied Physics, vol. 92, pp. 2495-2500, Sep 2002; M. Mosbacher, H. J. Munzer, J. Zimmermann, J. Solis, J. Boneberg, and P. Leiderer, Optical field enhancement effects in laser-assisted particle removal // Applied Physics a-Materials Science & Processing, vol. 72, pp. 41-44, Jan 2001; Y. Lu, S. Theppakuttai, and S. C. Chen, Marangoni effect in nanosphere-enhanced laser nanopatterning of silicon // Applied Physics Letters, vol. 82, pp. 4143-4145, Jun 2003].Photonic nanojets are a narrow focusing region formed at the shadow boundary of a dielectric particle with a spherical surface shape, with relatively small relative refractive indices ( N ≤2), with an extension greater than the radiation wavelength λ and a minimum width of the order of λ /3- λ /4 [ Y. F. Lu, L. Zhang, W. D. Song, Y. W. Zheng, and B. S. Luk'yanchuk, Laser writing of a subwavelength structure on silicon (100) surfaces with particle enhanced optical irradiation // JETP Lett. 72(9), 457–459 (2000); S. M. Huang, M. H. Hong, B. S. Luk'yanchuk, Y. W. Zheng, W. D. Song, Y. F. Lu , et al . , Pulsed laser-assisted surface structuring with optical near-field enhanced effects // Journal of Applied Physics , vol. 92, pp. 2495-2500, Sep 2002; M. Mosbacher, H. J. Munzer, J. Zimmermann, J. Solis, J. Boneberg, and P. Leiderer, “Optical field enhancement effects in laser-assisted particle removal,” Applied Physics a-Materials Science & Processing, vol. 72, pp. 41-44, Jan 2001; Y. Lu, S. Theppakuttai, and S. C. Chen, “Marangoni effect in nanosphere-enhanced laser nanopatterning of silicon,” Applied Physics Letters , vol. 82, pp. 4143-4145, Jun 2003].
Термин фотонная струя появился несколько позднее [Z. G. Chen, A. Taflove, and V. Backman. Photonic nanojet enhancement of backscattering of light by nanoparticles: a potential novel visible-light ultramicroscopy technique // Optics Express, vol. 12, pp. 1214-1220, Apr 2004].The term photon jet appeared somewhat later [Z. G. Chen, A. Taflove, and V. Backman. Photonic nanojet enhancement of backscattering of light by nanoparticles: a potential novel visible-light ultramicroscopy technique // Optics Express, vol. 12, pp. 1214-1220, Apr 2004].
Фотонные струи имеют потенциально важное применение в различных областях, например, для обнаружения и манипулирования наноразмерными объектами, для устройств с субдифракционным разрешением, микроскопов, нанолиторгафии, для наноструктуирования поверхности, в биофизике, для визуализации клеточных структур, в неразрушающем контроле и т.п. Наиболее ярким примером использование эффекта фотонной струи является применение его в оптическом микроскопе [Lianwei Chen, Yan Zhou, Mengxue Wu and Minghui Hong Lianwei Chen, Yan Zhou, Mengxue Wu and Minghui Hong. Remote-mode microsphere nano-imaging: new boundaries for optical microscopes // Opto-Electronic Advances 1, 170001 (2018)].Photonic jets have potentially important applications in various fields, such as detection and manipulation of nanoscale objects, subdiffraction resolution devices, microscopes, nanolithorgaphy, surface nanostructuring, biophysics, imaging of cellular structures, non-destructive testing, etc. The most striking example of the use of the photon jet effect is its application in an optical microscope [Lianwei Chen, Yan Zhou, Mengxue Wu and Minghui Hong Lianwei Chen, Yan Zhou, Mengxue Wu and Minghui Hong. Remote-mode microsphere nano-imaging: new boundaries for optical microscopes // Opto-Electronic Advances 1, 170001 (2018)].
Сущность заявляемого способа поясняется на примере устройства, реализующего этот способ. The essence of the proposed method is illustrated using the example of a device that implements this method.
Функциональная схема (вариант 1) этого устройства с охлаждением материала диэлектрической сферы представлена на фиг. 1.A functional diagram (option 1) of this device with cooling of the dielectric sphere material is shown in Fig. 1.
Функциональная схема (вариант 2) этого устройства с нагревом материала диэлектрической сферы представлена на фиг. 2.A functional diagram (option 2) of this device with heating of the dielectric sphere material is shown in Fig. 2.
На фиг. 3 приведены результаты математического моделирования образования твердой ледяной оболочки вокруг шаровой линзы из воды, находящейся в воздухе и с диаметром 6 мкм в процессе ее охлаждения при облучении ее электромагнитным излучением с длиной волны 589 нм, показатель преломления воды принимался равным N 1=1,334, льда N 1=1,301, толщина оболочки шаровой линзы δ; а – δ=0 (шаровая линза из воды), б – δ=0,1λ (формирование горячей точки); в – δ=0,51λ; г – δ=0,68λ; д – δ=1,53λ; е – δ=3λ (шаровая линза изо льда).In fig. Figure 3 shows the results of mathematical modeling of the formation of a solid ice shell around a spherical lens from water in the air and with a diameter of 6 microns during its cooling when irradiated with electromagnetic radiation with a wavelength of 589 nm, the refractive index of water was taken equal to N 1 = 1.334, of ice N 1 =1.301, shell thickness of the ball lens δ; a – δ=0 (spherical lens made of water), b – δ=0.1λ (formation of a hot spot); c – δ=0.51λ; d – δ=0.68λ; d – δ=1.53λ; e – δ=3λ (spherical lens made of ice).
На фиг. 4 приведено распределение относительной интенсивности электрического поля в фокусе шаровой линзы из воды вдоль оптической оси линзы от толщины оболочки изо льда изменяющейся от 0,03λ до 0,68λ с шагом 0,17λ (А) и от 0,69λ до 1,53λ (Б). In fig. Figure 4 shows the distribution of the relative intensity of the electric field at the focus of a spherical lens made of water along the optical axis of the lens depending on the thickness of the ice shell, varying from 0.03λ to 0.68λ in increments of 0.17λ (A) and from 0.69λ to 1.53λ (B ).
На фиг. 5 приведен пример результатов математического моделирования образования пористой ледяной оболочки вокруг шаровой линзы из воды, находящейся в воздухе и с диаметром 6 мкм в процессе ее охлаждения при облучении ее электромагнитным излучением с длиной волны 589 нм, показатель преломления воды принимался равным N 1=1,334, пористого льда N 1=1,19, толщина оболочки шаровой линзы δ=1,17λ. In fig. Figure 5 shows an example of the results of mathematical modeling of the formation of a porous ice shell around a spherical lens from water in the air and with a diameter of 6 microns during its cooling when irradiated with electromagnetic radiation with a wavelength of 589 nm, the refractive index of water was taken equal to N 1 = 1.334, porous ice N 1 =1.19, shell thickness of the ball lens δ=1.17λ.
На фиг. 6 приведено сравнение распределений относительной интенсивности электрического поля в фокусе шаровой линзы из воды от толщины оболочки изо льда и пористой ледяной оболочки для различных толщин оболочки.In fig. Figure 6 shows a comparison of the distributions of the relative intensity of the electric field at the focus of a spherical lens made of water depending on the thickness of the ice shell and the porous ice shell for different shell thicknesses.
Обозначения: 1 – освещающее электромагнитное излучение, 2 – шаровая мезоразмерная диэлектрическая линза, 3 – ядро линзы с показателем преломления N 1≤2, 4 – оболочка линзы с показателем преломления N 2 <N 1, 5 – подложка с супергидрофобной поверхностью, 6 – симметричное охлаждение шаровой линзы, 7 – область фокусировки, 8 – устройство левитации, 9 – симметричный нагрев шаровой линзы.Designations: 1 – illuminating electromagnetic radiation, 2 – spherical mesosized dielectric lens, 3 – lens core with refractive index N 1 ≤2, 4 – lens shell with refractive index N 2 <N 1 , 5 – substrate with superhydrophobic surface, 6 – symmetrical cooling of the ball lens, 7 – focusing area, 8 – levitation device, 9 – symmetrical heating of the ball lens.
Работа устройства происходит следующим образом. The device operates as follows.
Вариант 1. Известно, что для капель воды субмиллиметровых размеров, замерзающих снаружи, начинает играть роль поверхностное натяжение. При этом капли воды с радиусом менее 50 мкм не разрушаются (не взрываются) и образуется шаровая частица из воды с жесткой ледяной оболочкой [Sander Wildeman, Sebastian Sterl, Chao Sun, and Detlef Lohse. Fast Dynamics of Water Droplets Freezing from the Outside In // Physical Review Letters, 118, 084101 (2017)]. Таким образом, в холодной внешней среде внешний слой каждой капли воды быстро охлаждается и затвердевает, заключая в себе сердцевину из жидкости. При этом использовалось симметричное, радиально направленное внутрь, замерзание капель воды.Option 1. It is known that for submillimeter-sized water droplets freezing outside, surface tension begins to play a role. In this case, drops of water with a radius of less than 50 microns do not collapse (do not explode) and a spherical particle of water with a hard ice shell is formed [Sander Wildeman, Sebastian Sterl, Chao Sun, and Detlef Lohse. Fast Dynamics of Water Droplets Freezing from the Outside In // Physical Review Letters, 118, 084101 (2017)]. Thus, in a cold external environment, the outer layer of each drop of water quickly cools and solidifies, enclosing a core of liquid. In this case, symmetrical, radially directed inward, freezing of water droplets was used.
Капелька дегазированной пресной воды, образующая шаровую мезоразмерную однородную диэлектрическую линзу 2, размещается на подложке с супергидрофобной поверхностью 5 и при этом условии сохраняет свою шаровую форму и начинает симметрично охлаждаться 6. Симметричное охлаждение 6 шаровой линзы 2 обеспечивает симметрию формируемой твердой ледяной оболочки 4.A droplet of degassed fresh water, forming a spherical mesosized homogeneous dielectric lens 2, is placed on a substrate with a superhydrophobic surface 5 and under this condition retains its spherical shape and begins to cool symmetrically 6. Symmetrical cooling 6 of the spherical lens 2 ensures the symmetry of the formed solid ice shell 4.
Для охлаждения материала шаровой линзы могут применяться известные способы, например [Холод искусственный // Большая советская энциклопедия: [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — М.: Советская энциклопедия, 1969—1978], способ охлаждения при изменении агрегатного состояния тел (водный лед, аммиак, хладагенты R12, R22, R502, углекислоту и т. д.), способ охлаждения при расширении газов, способ охлаждения с помощью дросселирования, способ испарительного охлаждения, способ охлаждения десорбцией и т.п.To cool the material of a ball lens, well-known methods can be used, for example [Artificial cold // Great Soviet Encyclopedia: [in 30 volumes] / ch. ed. A. M. Prokhorov. — 3rd ed. - M.: Soviet Encyclopedia, 1969-1978], a method of cooling when a change in the physical state of bodies (water ice, ammonia, refrigerants R12, R22, R502, carbon dioxide, etc.), a method of cooling when gases expand, a method of cooling with throttling, evaporative cooling method, desorption cooling method, etc.
Для охлаждения капель воды может использоваться метод, описанный в работе [Sander Wildeman, Sebastian Sterl, Chao Sun, and Detlef Lohse. Fast Dynamics of Water Droplets Freezing from the Outside In // Physical Review Letters, 118, 084101 (2017)]. Капельку чистой дегазированной воды помещали на предметное стекло в центре небольшой вакуумной камеры. Стеклянные окна на передней и задней сторонах камеры обеспечивали беспрепятственный обзор капли. Чтобы капля сохраняла свою шаровую (сферическую) форму, предметному стеклу придавали супергидрофобность, покрыв его слоем свечной сажи [X. Deng, L. Mammen, H.-J. Butt, and D. Vollmer, Candle soot as a template for a transparent robust superamphiphobic coating // Science 335, 67 (2012)]. Cупергидрофобность — это смачиваемость поверхности водой и определяется углом, который образуется между поверхностью материала и поверхностью капли в точке их соприкосновения. Если угол больше 140° (форма капли близка к сфере) — материал супергидрофобный и капли скатываются сферами не оставляя следов [https://www.corrosio.ru/cards/supergidrofobnoe-pokryitie; Патент РФ 2601339 C2, Супергидрофобные поверхности]. To cool water droplets, the method described in [Sander Wildeman, Sebastian Sterl, Chao Sun, and Detlef Lohse. Fast Dynamics of Water Droplets Freezing from the Outside In // Physical Review Letters, 118, 084101 (2017)]. A drop of pure degassed water was placed on a glass slide in the center of a small vacuum chamber. Glass windows on the front and back sides of the chamber provided an unobstructed view of the droplet. In order for the drop to retain its spherical shape, the glass slide was made superhydrophobic by covering it with a layer of candle soot [X. Deng, L. Mammen, H.-J. Butt, and D. Vollmer, Candle soot as a template for a transparent robust superamphiphobic coating // Science 335, 67 (2012)]. Superhydrophobicity is the wettability of a surface with water and is determined by the angle formed between the surface of the material and the surface of the drop at the point of their contact. If the angle is greater than 140° (the shape of the drop is close to a sphere), the material is superhydrophobic and the drops roll into spheres without leaving traces [https://www.corrosio.ru/cards/supergidrofobnoe-pokryitie; RF Patent 2601339 C2, Superhydrophobic surfaces].
Когда камера откачивается, капля воды быстро охлаждается до температуры ниже нуля за счет испарительного охлаждения. Чтобы контролировать температуру капель, дно вакуумной камеры было покрыто слоем льда, поддерживаемого при заданной температуре с помощью охлаждающего контура, встроенного в дно камеры. Установившаяся температура переохлажденной капли, в свою очередь, определяется равновесием между этим буферным давлением и давлением паров жидкой воды, которое имеет место при несколько более низкой температуре. As the chamber is evacuated, the water droplet is rapidly cooled to below zero temperatures by evaporative cooling. To control the temperature of the droplets, the bottom of the vacuum chamber was covered with a layer of ice, maintained at a set temperature by a cooling loop built into the bottom of the chamber. The steady-state temperature of the supercooled droplet, in turn, is determined by the equilibrium between this buffer pressure and the vapor pressure of liquid water, which occurs at a slightly lower temperature.
Таким образом, формируется шаровая диэлектрическая линза 2, состоящая из жидкого ядра 3 и твердой оболочки 4 изо льда. Thus, a spherical dielectric lens 2 is formed, consisting of a liquid core 3 and a solid shell 4 of ice.
Из технической литературы известно, что показатель преломления воды больше, чем показатель преломления льда, а при формировании пористого льда эта разница еще увеличивается.It is known from the technical literature that the refractive index of water is greater than the refractive index of ice, and when porous ice is formed, this difference increases even more.
Пористостью льда называется отношение общего объема пузырьков и полостей к объему чистого, лишенного пузырьков льда, выраженное в процентах. Удельный вес (плотность) чистого пресноводного льда, лишенного пузырьков, составляет 917,6 кг/м3 при температуре 0 °С и 937,7 кг/м3 при температуре минус 25 °С. В реальных условиях эти величины уменьшаются за счет пузырьков воздуха и полостей во льду. По этой же причине плотность льда всегда меньше плотности воды.Ice porosity is the ratio of the total volume of bubbles and cavities to the volume of clean, bubble-free ice, expressed as a percentage. The specific gravity (density) of pure freshwater ice, free of bubbles, is 917.6 kg/ m3 at a temperature of 0 °C and 937.7 kg/ m3 at a temperature of minus 25 °C. In real conditions, these values are reduced due to air bubbles and cavities in the ice. For the same reason, the density of ice is always less than the density of water.
Удельный вес чистого льда при 0 °С и давлении 0,1 МПа составляет 916,8 кг/м3, а удельный объем – 1,0908 см3/г, тогда как для воды удельный вес и объем равны соответственно 999,863 кг/м3 и 1,000132 см3/г. Расширение объема воды при замерзании составляет 9 %. Отклонение от указанных величин свидетельствует о наличии во льду включений (пор, полостей и примесей).The specific gravity of pure ice at 0 °C and a pressure of 0.1 MPa is 916.8 kg/ m3 , and the specific volume is 1.0908 cm3 /g, while for water the specific gravity and volume are 999.863 kg/ m3, respectively and 1.000132 cm 3 /g. The expansion of water volume upon freezing is 9%. Deviation from the indicated values indicates the presence of inclusions (pores, cavities and impurities) in the ice.
Зависимость удельного веса льда от его пористости, приведены в табл. 1 [Современные методы разрушения льда / А. П. Куляшов [и др.]. - М.: Спутник, 2005. - 135 с.].The dependence of the specific gravity of ice on its porosity is given in table. 1 [Modern methods of ice destruction / A. P. Kulyashov [et al.]. - M.: Sputnik, 2005. - 135 p.].
Зависимость удельного веса льда от его пористостиTable 1
Dependence of the specific gravity of ice on its porosity
Композиционный материал, состоящий изо льда с включениями пор, заполненных воздухом относится к матричным смесям и его диэлектрическая проницаемость хорошо описываются формулой Лихтенеккера [Е. Е. Чигряй, И. П. Никитин. Свойства композита полистирол-рутил на миллиметровых волнах // Журнал Радиоэлектроники, N9, 2018, DOI 10.30898/1684-1719.2018.9.20]: A composite material consisting of ice with inclusions of pores filled with air belongs to matrix mixtures and its dielectric constant is well described by the Lichtenecker formula [E. E. Chigryai, I. P. Nikitin. Properties of the polystyrene-rutile composite at millimeter waves // Journal of Radioelectronics, N9, 2018, DOI 10.30898/1684-1719.2018.9.20]:
Ln ε = W1Ln ε1+ W2Ln ε2 Ln ε = W 1 Ln ε 1 + W 2 Ln ε 2
Здесь ε диэлектрическая проницаемость композиции, ε 1 и ε 2 диэлектрические проницаемости компонент, W 1 и W 2 объемное содержание наполнителя и матрицы. Here ε dielectric constant of the composition, ε 1 and ε 2 dielectric constants of the components, W 1 and W 2 volumetric content of the filler and matrix.
Таким образом, с увеличением пористости льда его показатель преломления уменьшается.Thus, as the porosity of ice increases, its refractive index decreases.
При облучении шаровой диэлектрической линзы электромагнитным излучением 1, для которого материал линзы является прозрачным, на теневой поверхности сферической линзы 2 формируется область фокусировки излучения 7. Параметры области фокусировки 7, например, ее протяженность длина зависят от относительного показателя преломления ядра 3 и оболочки 4, а так же толщины оболочки 4. Меняя эти параметры сферической линзы 2 во времени, динамически изменяется длина фотонной струи 7. Например, в зависимости от толщины оболочки шаровой линзы область фокуса изменяется на 7 %, а интенсивность электромагнитного излучения на 45 %. Повышение интенсивности электромагнитного поля в фокусе достигается за счет лучшего согласования показателя преломления ядра шаровой линзы с окружающим пространством. When a spherical dielectric lens is irradiated with electromagnetic radiation 1, for which the lens material is transparent, a radiation focusing region 7 is formed on the shadow surface of the spherical lens 2. The parameters of the focusing region 7, for example, its length and length, depend on the relative refractive index of the core 3 and shell 4, and also the thickness of the shell 4. By changing these parameters of the spherical lens 2 over time, the length of the photon jet 7 dynamically changes. For example, depending on the thickness of the shell of the spherical lens, the focal area changes by 7%, and the intensity of electromagnetic radiation by 45%. An increase in the intensity of the electromagnetic field at the focus is achieved due to better matching of the refractive index of the ball lens core with the surrounding space.
Вариант 2 аналогичен варианту 1, но применяется твердый материал шаровой диэлектрической линзы 2, например, парафин и линза 2 симметрично нагревается 9 с образованием жидкой оболочки 4 с показателем преломления материала менее показателя преломления твердого ядра 3. Шаровая форма линзы сохраняется за счет сил поверхностного натяжения расплавленной оболочки 4.Option 2 is similar to option 1, but a solid material of a spherical dielectric lens 2 is used, for example, paraffin and the lens 2 is symmetrically heated 9 to form a liquid shell 4 with a refractive index of the material less than the refractive index of the solid core 3. The spherical shape of the lens is maintained due to the forces of surface tension of the molten shells 4.
Из технической литературы [Измерения на миллиметровых и сумиллиметровых волнах / под ред. Р.А. Валитова, Б.И. Макаренко. – М. Сов. Радио, 1984. – 296 с.] известно, что существует зависимость коэффициента преломления полиолефинов, фторопласта, парафина, воска, и т.д. от плотности материалов. Полиолефины — это полимеры (например, полиэтилен, полипропилен, полиметилпентен) получаемые из низкомолекулярных веществ — олефинов. Например, для полиэтилена, полипропилена зависимость коэффициент преломления от плотности материал хорошо описывается зависимостью:From technical literature [Measurements on millimeter and sumimeter waves / ed. R.A. Valitova, B.I. Makarenko. – M. Sov. Radio, 1984. – 296 p.] it is known that there is a dependence of the refractive index of polyolefins, fluoroplastic, paraffin, wax, etc. on the density of materials. Polyolefins are polymers (for example, polyethylene, polypropylene, polymethylpentene) obtained from low molecular weight substances - olefins. For example, for polyethylene and polypropylene, the dependence of the refractive index on the density of the material is well described by the dependence:
n=[2,27+2,01(ρ–0,92)]0.5, n =[2.27+2.01(ρ–0.92)] 0.5 ,
где ρ – плотность, г/см3.where ρ is density, g/ cm3 .
Плотность большинства веществ уменьшается с увеличением температуры. Например [Саяхов Ф.Л., Хабибуллин И.Л., Насыров Н.М., Имашев Н.Ш. Температурное поле в пористой среде при воздействии электромагнитных полей с учетом фазовых переходов насыщающей фазы // Физико-химическая гидродинамика: Сб. ст. Уфа, 1985. – с. 44-51], зависимость диэлектрической проницаемости нефтяного парафина от температуры в интервале температур от 10 до 50 °С аппроксимировалась формулой: The density of most substances decreases with increasing temperature. For example [Sayakhov F.L., Khabibullin I.L., Nasyrov N.M., Imashev N.Sh. Temperature field in a porous medium under the influence of electromagnetic fields taking into account phase transitions of the saturating phase // Physico-chemical hydrodynamics: Coll. Art. Ufa, 1985. – p. 44-51], the dependence of the dielectric constant of petroleum paraffin on temperature in the temperature range from 10 to 50 °C was approximated by the formula:
ε=2,3+0,073Т, ε=2.3+0.073T,
а в интервале от 50 до 80 °С:and in the range from 50 to 80 °C:
ε=3,922–0,0036Т. ε=3.922–0.0036T.
Температура плавления парафина находится в диапазоне 50–54 °С.The melting point of paraffin is in the range of 50–54 °C.
Из технической литературы известны различные способы, которые могут быть применены для нагрева материала шаровой линзы, например, способ электрического нагрева проводников высокого сопротивления, способ инфракрасного нагрева, способ индукционного нагрева, способ высокочастотного нагрева, способ лазерного нагрева и т.д.Various methods are known from the technical literature that can be applied to heat the ball lens material, for example, high-resistance conductor electrical heating method, infrared heating method, induction heating method, high-frequency heating method, laser heating method, etc.
При этом шаровые мезоразмерные диэлектрические линзы 2, фокусирующие электромагнитное излучения в область фокуса 7 могут поддерживаться в пространстве с помощью различных известных устройств левитации 8, например, с помощью эффекта аэродинамической левитацией или ультразвуковой акустической левитацией [В. Уразаев, Техническая левитация: обзор методов // Технологии в электронной промышленности, № 6, 2007, с. 10-17].In this case, spherical meso-sized dielectric lenses 2 that focus electromagnetic radiation into the focal area 7 can be supported in space using various known levitation devices 8, for example, using the effect of aerodynamic levitation or ultrasonic acoustic levitation [V. Urazaev, Technical levitation: a review of methods // Technologies in the electronic industry, No. 6, 2007, p. 10-17].
Claims (4)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2816342C1 true RU2816342C1 (en) | 2024-03-28 |
Family
ID=
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU166820U1 (en) * | 2016-05-12 | 2016-12-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" (СГУГиТ) | DEVICE FOR TEMPERATURE MEASUREMENT |
| WO2017007431A1 (en) * | 2015-07-09 | 2017-01-12 | National University Of Singapore | Microsphere for generating a photonic nanojet |
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2017007431A1 (en) * | 2015-07-09 | 2017-01-12 | National University Of Singapore | Microsphere for generating a photonic nanojet |
| RU166820U1 (en) * | 2016-05-12 | 2016-12-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" (СГУГиТ) | DEVICE FOR TEMPERATURE MEASUREMENT |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Boris S. Luk’yanchuk и др. "Refractive index less than two: photonic nanojets yesterday, today and tomorrow", OPTICAL MATERIALS EXPRESS, т. 7, No 6, 2017 г., стр. 1820-1847. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Milne et al. | Tunable generation of Bessel beams with a fluidic axicon | |
| Wang et al. | Perfect electromagnetic and sound absorption via subwavelength holes array | |
| Park et al. | Acoustic Luneburg lens using orifice-type metamaterial unit cells | |
| Wu et al. | Time-resolved shadowgraphic study of femtosecond laser ablation of aluminum under different ambient air pressures | |
| Shvedov et al. | Polarization-sensitive photophoresis | |
| CN111986830B (en) | Method and device for lossless, accurate and repeatable capture of microspheres based on evanescent waves | |
| Geints et al. | Photonic nanojet effect in multilayer micrometre-sized spherical particles | |
| Lee et al. | Demonstration of steering acoustic waves by generalized Eaton lens | |
| RU2816342C1 (en) | Method of focusing electromagnetic radiation | |
| Du et al. | Sub-wavelength image stitching with removable microsphere-embedded thin film | |
| Xu et al. | Acoustic beam splitting and cloaking based on a compressibility-near-zero medium | |
| Lombard et al. | Quasi-flat high-index acoustic lens for 3D underwater ultrasound focusing | |
| Jiang et al. | Propagation characteristics of nanosecond pulse laser-induced shock wave and the non-contact removal of particle | |
| Toussaint Jr et al. | Plasmonic nanoantennas: from nanotweezers to plasmonic photography | |
| Kotlyar et al. | Sharp focus area of radially-polarized Gaussian beam propagation through an axicon | |
| Arfan et al. | Orbital angular momentum based scattering characteristics for foggy atmosphere | |
| Stalmashonak et al. | Transformation of silver nanospheres embedded in glass to nanodisks using circularly polarized femtosecond pulses | |
| Choi et al. | Laser-induced control of a cavity bubble behind a sinking sphere in water entry: Dependency on the surface temperature and impact velocity | |
| RU2790963C1 (en) | Method for focusing electromagnetic radiation | |
| Abeywickrema et al. | Estimation of thermocapillary force during laser trapping of confined microbubbles in a liquid | |
| Geints et al. | Collective effects in the formation of an ensemble of photonic nanojets by an ordered microassembly of dielectric microparticles | |
| Dunbar et al. | Underwater pressure amplification of laser-induced plasma shock waves for particle removal applications | |
| RU216108U1 (en) | Optical cloaking device at superresonance Mie modes | |
| Minin et al. | A Method to Improve the Resolution of the Acoustic Microscopy | |
| RU2743192C1 (en) | Controlled acoustic focusing device |