УСТРОЙСТВО КВАЗИОПТИЧЕСКОЙ ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ ТЕРАГЕРЦОВЫХ ВОЛН Российский патент 2016 года по МПК H01P3/20 

Изобретение относится к устройствам миллиметровых и субмиллиметровых волн, в частности к устройствам квазиоптических линий передачи терагерцовых волн, и может быть использовано для передачи энергии в различных датчиках неразрушающего контроля, биомедицинских исследованиях с пространственным сверхразрешением и высокой плотностью энергии.

Из технической литературы известно, что для канализации микроволнового излучения применяются: металлические полые волноводы; линии поверхностной волны - диэлектрические волноводы; квазиоптические линии, состоящие из передающих и приемных апертур [Техника субмиллиметровых волн. Под ред. Р.А. Валитова. Сов. Радио, 1969, 480 с., с. 249-298].

В металлических полых волноводах с увеличением частоты излучения электромагнитной волны быстро увеличиваются погонные потери. Например, на длине волны λ=0.2 мм потери возрастают до величины 120 дБ/м [Техника субмиллиметровых волн. Под ред. Р.А. Валитова. Сов. Радио, 1969, 480 с., с. 250].

Затухание в металлических волноводах растет пропорционально частоте в степени три вторых, что делает невозможным их применение в терагерцовом диапазоне. В диэлектрических волноводах затухание растет пропорционально частоте излучения электромагнитной волны [Техника субмиллиметровых волн. Под ред. Р.А. Валитова. Сов. Радио, 1969, 480 с., с. 257].

Суммарные потери диэлектрического волновода включает в себя потери в диэлектрике и в окружающей волновод среде. Наиболее существенными являются потери в материале диэлектрика. В отличие от оптического диапазона длин волн в микроволновом диапазоне даже лучшие материалы обладают значительными потерями, тангенс угла потерь 10^-3-10^-4, что делает невозможным их применение в терагерцовом диапазоне. Квазиоптические линии - линзовые лучевые волноводы [Техника субмиллиметровых волн. Под ред. Р.А. Валитова. Сов. Радио, 1969, 480 с., с. 274-296] состоят из набора линз, установленных в направлении распространения излучения.

Известно устройство линзовой линии передач миллиметрового и субмиллиметрового диапазона длин волн, состоящее из сферических линз, диаметром 10 длин волн, установленных на одной оси вплотную друг к другу [Князьков Л.Б., Руженцев Н.В. Пенодиэлектрическая линзовая линия передач миллиметрового и субмиллиметрового диапазона длин волн // Письма в ЖТФ, 2008, т. 34, вып. 20, с. 59-64].

Недостатками такого устройства являются большие поперечные размеры и значительная общая толщина диэлектрика в направлении распространения излучения, сложность устройства.

Известно устройство канализации оптического излучения, состоящее из источника излучения, множества оптически прозрачных сфер, расположенных вплотную друг к другу в направлении распространения излучения [Patent US N 8554031, G02B 6/00, B01J 19/12. Focusing multimodal optical microprobe devices], при этом излучение, падающее на сферу, формирует «фотонную струю» с высоким пространственным разрешением, т.е. порядка или меньше X. Излучение периодически фокусируется вдоль цепочки сфер, что приводит к появлению периодических оптических мод. Для получения фотонных струй используются сферы диаметром от 4λ до 20λ и коэффициентом преломления от 1.4 до 1.71 [Seungmoo Yang, V.N. Astratov. Photonic nanojet-induced modes in chains of size-disordered microspheres with an attenuation of only 0.08 dB per sphere // Appl. Phys. Lett. 92, 261111 920080.].

Недостатками такого устройства при использовании его в микроволновом диапазоне длин волн являются большие поперечные размеры, значительная общая толщина диэлектрика в направлении распространения излучения и связанные с этим потери энергии в материале линз, сложность устройства.

Ближайшим техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является устройство оптической линии передач миллиметровых и субмиллиметровых волн [Патент СССР №171453, МПК Н01Р 3/20. Оптическая линия передачи миллиметровых и субмиллиметровых волн], состоящее из набора диэлектрических линз эллиптической формы с изменяющейся по квадратичному закону толщиной, пространственно разнесенных между собой на равные расстояния и расположенных вдоль направления распространения волн. В квазиоптической линии передач используются линзы диаметром 10-40λ, а собственная толщина линзы пропорциональна ее диаметру [Зелкин Е.Г., Петрова Р.А. Линзовые антенны. М.: Сов. Радио, 1974, 280 с.] и превышает длину волны используемого излучения в свободном пространстве. Постоянная потерь β в диэлектрике при распространении в нем электромагнитной энергии может быть оценена по следующему выражению [Зелкин Е.Г., Петрова Р.А. Линзовые антенны. М.: Сов. Радио, 1974, 280 с.] и пропорциональна толщине линзы:

β=(27.3Ntgδ)H/λ, дБ,

где tgδ - тангенс угла потерь диэлектрика на рабочей частоте, Н - толщина линзы.

Недостатком такого устройства являются большие поперечные размеры, большая толщина линз и сложность диэлектрических линз.

Целью предлагаемого изобретения является создание устройства квазиоптической линий передачи терагерцовых волн, отличающегося малыми поперечными размерами, минимальной толщиной диэлектрических линз, сравнимых с длиной волны излучения в свободном пространстве и простотой конструкции линз.

Технический результат выражается в том, что квазиоптическая линия передачи терагерцовых волн имеет меньшие поперечные размеры порядка длины волны в свободном пространстве, минимальную толщину диэлектрических линз порядка длины волны в свободном пространстве и простоту конструкции линз, исключив ее сложный профиль.

Сущность изобретения заключается в том, что в квазиоптической линии передачи терагерцовых волн, включающей набор диэлектрических линз, пространственно разнесенных между собой и расположенных вдоль направления распространения волн, согласно изобретению линзы выполнены в виде кубоида с величиной стенки L, лежащей в диапазоне от 0.85λ до 1.3λ, где λ - длина волны используемого терагерцового излучения в окружающем пространстве, и выполнены из диэлектрика с относительным коэффициентом преломления N/N₀ (N₀ - коэффициент преломления окружающей среды), лежащим в диапазоне от 1.2 до 1.6, а расстояние между соответствующими линзами выбирается в диапазоне от 2L до 3L. При этом материал кубоидов может иметь одинаковый показатель преломления. При этом материал кубоидов может иметь различные показатели преломления. При этом все кубоиды могут иметь одинаковый размер. При этом кубоиды могут иметь различные размеры, кратные величине 2zλ, где z=1, 2, 3, …. При этом часть кубоидов располагается наклонно к направлению распространения волн. При этом все кубоиды могут быть расположены на подложке.

Наличие признаков, отличающих изобретение от прототипа, позволяет сделать вывод о соответствии его критерию «новизна».

Новые признаки: линзы выполнены в виде кубоида с величиной стенки L, лежащей в диапазоне от 0.85λ до 1.3λ, где λ - длина волны используемого терагерцового излучения и выполнены из диэлектрика с относительным коэффициентом преломления N/N₀ (N₀ - коэффициент преломления окружающей среды), лежащим в диапазоне от 1.2 до 1.6, а расстояние между соответствующими линзами выбирается в диапазоне от 2L до 3L не выявлены в технических решениях аналогичного назначения. На этом основании можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию «изобретательский уровень».

На фиг. 1 представлена схема квазиоптической линии передач терагерцового диапазона с линзами - кубоидами одинакового размера и схема линзы-кубоида, формирующего фотонную струю с пространственным разрешением, не менее чем в 2 раза превышающим дифракционное разрешение (разрешение Рэлея), и повышенной плотностью энергии. На фиг. 2 приведен пример схемы квазиоптической линии передач терагерцового диапазона с линзами - кубоидами различного размера. На фиг. 3 приведена схема квазиоптической линии передач терагерцового диапазона с частью кубоидов, расположенных наклонно к направлению распространения волн, для поворота канализируемого электромагнитного излучения. На фиг. 4 приведен пример схемы квазиоптической линии передач терагерцового диапазона с линзами - кубоидами, размещенными на подложке. На фиг. 5 приведен результат моделирования распространения электромагнитной волны в квазиоптической линии передач с линзами - кубоидами.

Квазиоптическая линия передач с линзами - кубоидами содержит (см. фиг. 1-4) линзу - диэлектрический кубоид 1, промежуток между кубоидами 2, подложку 3, на которой размещены кубоиды 1.

Работает устройство следующим образом. При падении электромагнитной волны на диэлектрический кубоид 1 электромагнитная волна проникает внутрь диэлектрического материала. Поскольку излучение внутри кубоида 1 в окрестности его края распространяется с большей фазовой скоростью, чем излучение в центре кубоида, возникающий набег фазы между различными участками падающей волны приводит к деформациям волнового фронта излучения, который при определенных параметрах диэлектрического кубоида 1 приобретает положительную кривизну (излучение направляется внутрь кубоида от края к центру), что соответствует условию фокусировки излучения [V. Pacheco-Pena, М. Beruete, I.V. Minin, О.V. Minin. Terajets produced by 3D dielectric cuboids // Appl. Phys. Lett. 2014. V. 105. P. 084102., V. Pacheco-Pena, M. Beruete, I.V. Minin, О.V. Minin. Multifrequency focusing and wide angular scanning of Terajets // Optic Letters, 40, 245-248 (2015)].

Экспериментально было установлено, что диэлектрические линзы - кубоиды 1 с величиной стенки L, лежащей в диапазоне от 0.85λ до 1.3λ, где λ - длина волны используемого терагерцового излучения в окружающем кубоид пространстве, выполненные из диэлектрика с относительным коэффициентом преломления N/N₀ (N₀ - коэффициент преломления окружающей среды), лежащим в диапазоне от 1.2 до 1.6, формируют на выходе из кубоида тераструю (аналог фотонной струи). Тераструя представляет собой область с повышенной электромагнитной энергией с поперечным размером менее 0.5λ и продольным размером порядка (2-3)λ, что позволяет использовать сформированную тераструю в квазиоптической линии передач в различных датчиках неразрушающего контроля, биомедицинских исследованиях с пространственным сверхразрешением и высокой плотностью энергии. При величине стенки диэлектрической линзы - кубоида 1, лежащей вне указанного диапазона и диэлектрика с относительным коэффициентом преломления N/N₀ (N₀ - коэффициент преломления окружающей среды), лежащим вне диапазона от 1.2 до 1.6, тераструя на выходе кубоида не формируется и уменьшается эффективность канализации энергии. Располагая набор кубоидов, пространственно разнесенных между собой на расстоянии 2 S=(2-3)L и с оптимальным расстоянием 2 между кубоидами, равным S=2.5L, обеспечивается эффективная канализация электромагнитного излучения, при этом каждым последующим кубоидом формируется на выходе тераструя. При уменьшении или увеличения указанного диапазона расстояний 2 между набором диэлектрических кубоидов 1 происходит уменьшение протяженности тераструи, она начинает формироваться внутри кубоида 1, уменьшая эффективность канализации энергии. На Фиг. 5 (а-б) показано распределение энергии вдоль направления распространения волны для трех кубоидов с разным коэффициентом поглощения материала диэлектрика, а на Фиг. 5в - распределение энергии вдоль направления распространения волны для одиннадцати кубоидов с разным коэффициентом поглощения материала диэлектрика. Эти результаты убедительно демонстрируют эффективность предложенного технического решения для канализации и транспортировки электромагнитной энергии.

В квазиоптической линии передач набор кубоидов 1 может быть выполнен из диэлектрика, имеющего одинаковую величину коэффициента преломления материала, а также набор кубоидов 1 может быть выполнен из диэлектрика, имеющего различную величину коэффициента преломления материала в указанном диапазоне.

В квазиоптической линии передач набор кубоидов 1 может быть выполнен одного размера. Проведенные исследования показали, что формирование тераструй на основе диэлектрических кубоидов 1 возможно не только на основной, но и других четных частотных гармониках, а также при наклонном падении плоского волнового фронта. При величине размера кубоида кратная величине 2zλ, где z=1, 2, 3, …, формируется тераструя. На нечетных гармониках существенно возрастает уровень боковых максимумов рассеяния и качество фокусировки тераструи значительно ухудшается, уменьшая эффективность канализации энергии.

Расположение части кубоидов наклонно к направлению распространения волны позволяет изменять направление канализации и транспортировки энергии. Расположение всех кубоидов на подложке позволяет наиболее просто практически реализовать устройство.

Предлагаемая квазиоптическая линия передач терагерцового диапазона с линзами - кубоидами прошло экспериментальную проверку и доступно для методов вычислительного эксперимента.

Таким образом решается задача создания квазиоптической линии передач терагерцового диапазона с малыми поперечными размерами, минимальной толщиной диэлектрических линз, сравнимых с длиной волны излучения в свободном пространстве и простотой конструкции линз.

Устройство квазиоптической линии передачи терагерцовых волн содержит набор диэлектрических линз, пространственно разнесенных между собой и расположенных вдоль направления распространения волн. Причем линзы выполнены в виде кубоида с величиной стенки, лежащей в диапазоне от 0.85λ до 1.3λ, где λ - длина волны используемого терагерцового излучения в окружающем пространстве, и выполнены из диэлектрика с относительным коэффициентом преломления N/N₀ (N₀ - коэффициент преломления окружающей среды), лежащим в диапазоне от 1.2 до 1.6, а расстояние между соответствующими линзами выбирается в диапазоне от 2L до 3L. Технический результат заключается в уменьшении размера квазиоптической линии передачи терагерцовых волн и толщины диэлектрических линз и в упрощении конструкции линз. 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Устройство квазиоптической линии передачи терагерцовых волн, содержащее набор диэлектрических линз, пространственно разнесенных между собой и расположенных вдоль направления распространения волн, отличающееся тем, что линзы выполнены в виде кубоида с величиной стенки L, лежащей в диапазоне от 0.85λ до 1.3λ, где λ - длина волны используемого терагерцового излучения в окружающем пространстве, и выполнены из диэлектрика с относительным коэффициентом преломления N/N₀ (N₀ - коэффициент преломления окружающей среды), лежащим в диапазоне от 1.2 до 1.6, а расстояние между соответствующими линзами выбирается в диапазоне от 2L до 3L.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что материал кубоидов имеет одинаковый показатель преломления.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что материал кубоидов имеет различные показатели преломления.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что все кубоиды имеют одинаковый размер.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что кубоиды имеют различные размеры, кратные 2zλ, где z=1, 2, 3, … .

6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что часть кубоидов располагается наклонно к направлению распространения волн.

7. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что кубоиды расположены на подложке.