Акустическая линза Российский патент 2017 года по МПК B06B3/04 

Описание патента на изобретение RU2618600C1

Изобретение относится к ультразвуковой технике, 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.

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].

Недостатком таких акустических линз являются большие поперечные размеры, значительно превышающие используемую длину волны, низкое пространственное разрешение, сложность изготовления прецизионных поверхностей и отсутствие в них плоских рабочих поверхностей, что не дает возможности применения их для фокусировки упругих волн в твердых телах без промежуточного иммерсионного слоя.

Известна акустическая линза [а.с. СССР №1063480, МПК В06В 3/04] с аксиально симметричным градиентом акустического показателя преломления и плоскопараллельными торцами, при этом градиент акустического показателя преломления в стеклянном стержне создается с помощью ионообменной диффузии.

Недостатком акустической линзы является низкое пространственное разрешение, не превышающее величины дифракционного предела. С помощью такой акустической линзы невозможно получить фокусное пятно с шириной намного меньшего дифракционного предела.

Считается, что при фокусировке волн любой природы волновая энергия концентрируется в области с поперечным размером, не меньшим 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.]:

δ≈1.22λ/D,

где λ - длина акустической волны, D - диаметр линзы. Для достижения высокого пространственного разрешения необходимо использовать акустические линзы с высокой числовой апертурой.

Для фокусировки упругих волн с поперечным разрешением превышающий 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 kх на поперечную координату х большую, чем волновое число в среде: kх>k0n, где k0=2π/λ - волновое число в среде, n - акустический показатель преломления среды.

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].

Наиболее близка к данному изобретению акустическая линза, описанная в Alfonco Climente, Daniel Torrent, Jose Sanchez-Dehesa. Sound focusing by gradient index sonic lenses // Applied physics letters, 97, 104103, 2010 и взятая за прототип. Акустический показатель преломления градиентной акустической линзы с плоскопараллельными гранями, перпендикулярными ее оптической оси, описывается гиперболическим секансом n(y)=n0sech(αy), где α - постоянная, равная h-1cosh-1(n0/nh). Здесь h - полувысота акустической линзы, n0 - акустический показатель преломления на оптической оси линзы (у=0) и nh - акустический показатель преломления на краях линзы (у=±h). Фокальное пятно находится на расстоянии от внешней стороны акустической линзы, где d - толщина линзы. В данной линзе n0=1.339 и nh=1. Градиент акустического показателя преломления создавался периодической системой металлических цилиндров в воздухе различного диаметра. Однако ширина фокусного пятна в данной акустической линзе близка к λ/2.

В данном изобретении была поставлена задача создать акустическую линзу, формирующую узкое фокальное пятно с заданной шириной.

Технический результат - обеспечение фокусировки упругой волны в область шириной менее дифракционного предела, 0,02λ.

Задача достигается за счет того, что в акустической линзе с плоскопараллельными гранями, перпендикулярными ее оптической оси, и с радиальным градиентом акустического коэффициента преломления, согласно изобретению линза выполнена в виде кубоида с величиной ребра, равного (0.9-1.2)λΝ, где N=1,2,…, λ - длина упругой волны, величиной относительного акустического коэффициента преломления, изменяющегося от 1.1 nср до 1.6nср, где nср - акустический коэффициент преломления окружающей среды линзы, а по оптической оси линзы выполнен звукопроницаемый канал постоянного сечения с характерным поперечным размером не более 0.25λ, заполненный материалом с акустическим коэффициентом преломления, равным nср.

На Фиг. 1 приведены схема акустической линзы в виде кубоида с радиально симметричным градиентом акустического показателя преломления и звукопроницаемым каналом, расположенным вдоль оптической оси линзы.

На Фиг. 2 приведено сечение акустической линзы с звукопроницаемым каналом и распределение акустической энергии фокусируемой линзой.

На Фиг. 1 введены обозначения: 1 - кубоидная градиентная акустическая линза, 2 - звукопроницаемый канал, L - величина ребра кубоида, d - характерный поперечный размер канала. Величина ребра кубоида L=(0.9-1.2)λΝ, где N=1,2,…, λ - длина волны акустического излучения, величина относительного акустического коэффициента преломления изменяется от 1.1 nср до 1.6nср, где nср - акустический коэффициент преломления окружающей среды линзы. Характерный поперечный размер канала составляет величину не более 0.25λ.

На Фиг. 2 величина поперечного размера звукопроводящего канала d круглого сечения равно 0.02 λ. Формируемое фокальное пятно на выходе акустической линзы имеет симметричный вид в поперечной плоскости, и его ширина по полуспаду интенсивности равна 0.022 λ.

Из приведенного примера видно, что акустическая линза в виде кубоида с радиальным градиентом акустического коэффициента преломления и звукопроницаемым каналом на ее оптической оси формирует узкое фокальное пятно с заданной шириной (при прочих равных условиях) в отличие от простых градиентных и аналогичных им акустическим линз (прототип), имеет малые поперечные размеры.

В результате экспериментальных исследований и результатов математического моделирования было установлено, что в случае выполнения акустической градиентной линзы в виде кубоида с величиной ребра, равного (0.9-1.2)λΝ, где N=1,2,…, λ - длина упругой волны, величиной относительного акустического коэффициента преломления изменяющегося от 1.1 nср до 1.6nср, где nср - акустический коэффициент преломления окружающей среды линзы, происходит наиболее эффективная фокусировка упругих волн. При увеличении или уменьшении указанного диапазона возможного изменения величины ребра кубоида-линзы происходит уменьшение передачи акустической энергии в звукопроводящий канал. Установлено, что акустическая градиентная линза сохраняет свою работоспособность и на гармониках излучения, где N - номер гармоники. Наиболее оптимальный относительный градиент акустического показателя преломления лежит в диапазоне от 1.1 nср до 1.6nср. При уменьшении его максимальной величины уменьшается передача акустической энергии в звукопроницаемый канал, а при увеличении возрастают потери на отражение упругих волн от материала среды, пропорциональные величине импенданса материала линзы, и уменьшается передача акустической энергии в звукопроницаемый канал.

При выполнении звукопроницаемого канала постоянного, например, круглого сечения с характерным поперечным размером не более 0.25λ, заполненного материалом с акустическим коэффициентом преломления, равным nср, и расположенного по оптической оси акустической линзы, упругая волна может распространяться в нем как в волноводе. Фокусировка акустической энергии градиентной линзой сосредоточит ее внутри волновода. При этом на выходе из линзы формируется симметричная в поперечном направлении область фокусировки. Ширина фокусного пятна, сформированного на границе акустической линзы, будет близка к характерному поперечному размеру звукопроводящего канала, который не превышает величины 0.25λ. Чем меньше характерный поперечный размер звукопроницаемого канала, тем меньше ширина фокальной области и меньше доля акустической энергии в фокусе.

Акустическая линза с градиентным акустическим показателем преломления и звукопроницаемым каналом на ее оптической оси может быть создана различными способами. Это может быть акустическая линза с градиентным акустическим показателем преломления (например, созданная комбинацией электроосаждения различных материалов или создания градиента акустического показателя преломления в стеклянном стержне с помощью ионообменной диффузии), так и с кусочно-постоянным распределением акустического показателя преломления, например, имеющая вид звукового кристалла или радиально градиентной среды, образованной шаровыми включениями с необходимыми характеристиками, средний акустический показатель преломления которого повторяет градиентный аналог.

Похожие патенты RU2618600C1

название год авторы номер документа
Мезоразмерная кубоидная пластинчатая линза 2022
  • Минин Игорь Владиленович
  • Минин Олег Владиленович
RU2795677C1
Устройство для формирования оптической ловушки с хиральной симметрией 2021
  • Минин Игорь Владиленович
  • Минин Олег Владиленович
RU2781504C1
Управляемое акустическое фокусирующее устройство 2020
  • Минин Игорь Владиленович
  • Минин Олег Владиленович
RU2743192C1
Ультразвуковое устройство для стирки белья 2020
  • Минин Игорь Владиленович
  • Минин Олег Владиленович
RU2746823C1
Сканирующий акустический микроскоп 2020
  • Минин Игорь Владиленович
  • Минин Олег Владиленович
RU2756411C2
УСТРОЙСТВО КВАЗИОПТИЧЕСКОЙ ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ ТЕРАГЕРЦОВЫХ ВОЛН 2015
  • Минин Владилен Федорович
  • Минин Игорь Владиленович
  • Минин Олег Владиленович
RU2591282C1
Способ формирования изображения объектов с субдифракционным разрешением и высоким контрастом 2021
  • Минин Игорь Владиленович
  • Минин Олег Владиленович
RU2777709C1
Способ фокусировки электромагнитного излучения 2022
  • Минин Игорь Владиленович
  • Минин Олег Владиленович
RU2790963C1
Устройство для формирования фотонного крюка 2022
  • Минин Игорь Владиленович
  • Минин Олег Владиленович
RU2788342C1
Устройство для отклонения пучка поверхностных плазмон-поляритонов 2020
  • Минин Игорь Владиленович
  • Минин Олег Владиленович
RU2746681C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 618 600 C1

Реферат патента 2017 года Акустическая линза

Изобретение относится к акустике, в частности к средствам фокусирования акустического поля. Акустическая линза выполнена в виде кубоида с радиальным градиентом акустического коэффициента преломления с величиной ребра кубоида, равной (0.9-1.2)λΝ, где N=1,2,…, λ - длина упругой волны. Акустическая линза имеет величину относительного акустического коэффициента преломления от 1.1 nср до 1.6nср, где nср - акустический коэффициент преломления окружающей среды линзы, а по оптической оси линзы выполнен звукопроницаемый канал постоянного сечения с характерным поперечным размером не более 0.25λ, заполненный материалом с акустическим коэффициентом преломления, равным nср. Технический результат - обеспечение фокусировки упругой волны в область шириной менее дифракционного предела, 0,02λ. 2 ил.

Формула изобретения RU 2 618 600 C1

Акустическая линза с плоскопараллельными гранями, перпендикулярными ее оптической оси, и с радиальным градиентом акустического коэффициента преломления, отличающаяся тем что линза выполнена в виде кубоида с величиной ребра, равного (0.9-1.2)λN, где N=1, 2, …, λ - длина упругой волны, величина относительного акустического коэффициента преломления изменяется от 1.1 nср до 1.6nср, где nср - акустический коэффициент преломления окружающей среды линзы, а по оптической оси линзы выполнен звукопроницаемый канал постоянного сечения с характерным поперечным размером не более 0.25λ, заполненный материалом с акустическим коэффициентом преломления, равным nср.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2017 года RU2618600C1

Alfonco Climente, Daniel Torrent, Jose Sanchez-Dehesa
Sound focusing by gradient index sonic lenses // Applied physics letters, 97, 104103, 2010
И
В
Минин, О
В
Минин Квазиоптика: современные тенденции развития // Новосибирск : СГУГиТ, 12.10.2015 (стр
Прибор для очистки паром от сажи дымогарных трубок в паровозных котлах 1913
  • Евстафьев Ф.Ф.
SU95A1
0
SU157405A1
US 20080015442 A1, 17.01.2008
WO 2015195566 A1, 23.12.2015
US 20130228393 A1, 05.09.2013
Способ получения антикоррозионного покрытия на основе хлорсульфированного полиэтилена 1966
  • Лозовик Г.Я.
  • Донцов А.А.
  • Аронсон Ю.П.
  • Клинов И.Я.
SU210358A1

RU 2 618 600 C1

Авторы

Минин Игорь Владиленович

Минин Олег Владиленович

Даты

2017-05-04Публикация

2016-02-09Подача