Устройство визуализации источников терагерцового излучения Российский патент 2020 года по МПК G02B27/58 

Изобретение относится к области оптической и оптоэлектронной техники, в частности к визуализаторам терагерцового (ТГц) излучения (ν=0,1÷10 ТГц или λ=30÷3000 мкм), и может быть использовано при создании приборов для регистрации и анализа ТГц-излучения.

Терагерцовый диапазон частот электромагнитного спектра лежит между инфракрасным диапазоном и областью миллиметровых длин волн. Граница терагерцового диапазона в настоящее время точно не определена. Например, в более широкой интерпретации терагерцовый диапазон занимает область частот от 100 ГГц до 10 ТГц или диапазон длин волн от 3 мм до 30 мкм. Но, в соответствии с ГОСТ 24375-80 и с рекомендациями Международного союза электросвязи, терагерцовый диапазон определяется как диапазон частот от 300 ГГц до 3 ТГц или диапазон длин волн от 1 до 0,1 мм, а в соответствии со стандартом Международной организации по стандартизации (ISO), терагерцовый диапазон находится в интервале от 300 ГГц до 6 ТГц [В.М. Исаев, И.Н. Кабанов, В.В. Комаров, В.П. Мещанов. Современные радиоэлектронные системы терагерцового диапазона // Доклады ТУСУРа, No 4 (34), декабрь 2014, с. 5-16].

Наиболее перспективное применение ТГц-излучения является его использование в медицине для визуализации, голографирования и томографии тканей, терапии и хирургии. Кроме того, ТГц-излучение также находит свое применение в биохимических и биофизических исследованиях при определении ТГц-спектров поглощения и отражения органических и биологических молекул, белков, ДНК и т.д., для определения концентрации веществ, в специальной технике противодействия терроризму и борьбе с наркотиками, при создании устройств дистанционного обнаружения скрытых токсических и взрывчатых веществ.

Особенностью терагерцового диапазона является то, что излучение является неионизирующим и не повреждает биологические молекулы, отличается большой проникающей способностью через диэлектрические материалы, например, такие как дерево, бумага, ткань, пластмасса, керамика и сильно поглощается полярными веществами, например, водой.

При исследовании источников ТГц-излучения, мониторинге и контроле полей, измерении слабых потоков ТГц-излучения в задачах, требующих регистрации низкоэнергетических сигналов в ТГц-диапазоне, также возникает необходимость в визуализации источников ТГц-излучения.

Одной из центральных проблем создания систем терагерцового диапазона является визуализация пучков данного излучения. Как правило, проблема визуализации электромагнитного излучения решается путем использования матричных приемников.

Так как энергия фотона терагерцового излучения мала (0,4-4 мэВ), то матричные фотоприемники, основанные на внутреннем фотоэффекте, требуют охлаждения жидким гелием и специального обслуживания. Такие системы являются очень дорогими единичными устройствами, не предназначенными для получения изображения.

Гетеродинные матричные детекторы на основе терагерцовых диодов Шоттки являются чрезвычайно дорогими, сложными и ненадежными, чтобы их можно было тиражировать хотя бы мелкосерийно. Из-за дороговизны каждого канала их число в существующих детекторах не превышает нескольких десятков.

Одним из наиболее эффективных одиночных тепловых детекторов, используемых для регистрации терагерцового излучения, является оптико-акустический или пневматический приемник [Spectroscopic techniques for far infra-red, submillimetre and millimeter waves. (editor D.H.Martin), North-Holland publishing company, Amsterdam, 1967]. Однако на сегодняшний день не создано матричных приемников такого типа для получения изображения в терагерцовой области излучения.

Известно устройство для создания изображения в ТГц лучах [US 20120032082, Terahertz Imaging Device With Improved Thermal Converter], содержащее терагерцовый источник излучения, преобразователь для преобразования терагерцового излучения в тепловое излучение и тепловой детектор, в котором терагерц-инфракрасный конвертер состоит из основания с множеством одинаковых преобразователей ТГц излучения в ИК-излучение, организованных в виде строк и столбцов математической матрицы. Материалом для преобразователей служит вода, стекло, углеродные нанотрубки или материал, содержащий их. Размер преобразователей от 50 до 500 мкм.

Недостатками известного терагерц-инфракрасного конвертера в устройстве для создания изображения в ТГц лучах является низкая чувствительность вследствие необходимости нагревать ТГц излучением крупные (50-500 мкм) преобразователи, размер которых обусловливает низкое пространственное разрешение.

Известно устройство визуализации, включающее: конвертер ТГц-излучения в ИК-излучение, состоящий из слоя искусственно созданного метаматериала с резонансным поглощением ТГц-излучения, нанесенного на твердую подложку из сапфира, расположенный между входным ТГц-объективом и объективом приемной камеры (видимого света), расположенной со стороны подложки; источник видимого света, настроенный для освещения задней стороны конвертера; и камеру с объективом и детектором, адаптированным для выявления излучения видимого света от задней стороны конвертера. При этом конвертер состоит из жидкокристаллического слоя, нанесенного на жесткую подложку из сапфирового стекла, и содержит поглощающий слой, включающий в себя частицы металла в виде порошка (железа, алюминия, олова или меди), а детектор принимает соответствующее изображению излучение видимого света, сформированное на задней грани конвертера [US 2008179519].

Недостатком данного устройства визуализации является его недостаточная чувствительность.

Относительно недавно в 2004 г. впервые было обращено внимание на наличие эффекта «фотонной наноструи» при исследовании рассеяния лазерного излучения на прозрачных кварцевых микроцилиндрах и позднее на сферических частицах. Фотонная струя возникает в области теневой поверхности диэлектрических микросферических частиц - в т.н. ближней зоне дифракции - и характеризуется сильной пространственной локализацией и высокой интенсивностью оптического поля в области фокусировки. Было показано, что при падении плоской волны на сфероидальную частицу достижимо пространственное разрешение до трети длины волны, что ниже классического дифракционного предела. Обзор современного состояния по формированию фотонной струи диэлектрическими частицами произвольной формы в электромагнитном спектре приведен в работах [Минин И.В., Минин О.В. Квазиоптика: современные теденции развития [Текст]: монография. - Новосибирск: СГУГиТ, 2015. - 163 с.; 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 ; Boris S. Luk'yanchuk, , 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) •https://doi.org/10.1364/OME.7.001820; Alexander Heifetz, Soon-Cheol Kong, Alan V. Sahakian, Allen Taflove and Vadim Backman. Photonic Nanojets // Journal of Computational and Theoretical Nanoscience Vol. 6, 1979-1992, 2009; Photonic nanojet enhancement of backscattering of light by nanoparticles: a potential novel visible-light ultramicroscopy technique, Z. G. Chen, A. Taflove, and V. Backman, Optics Express, vol. 12, pp. 1214-1220, Apr 2004.].

Диэлектрические мезоразмерные частицы произвольной трехмерной формы для формирования фотонных струй с поперечным размером каустики порядка трети длины волны и длиной от 0 до 10 длин волн известны из литературы [И.В. Минин, О.В. Минин. Фотоника изолированных диэлектрических частиц произвольной трехмерной формы - новое направление оптических информационных технологий // выпуск "Вестник НГУ. Серия: Информационные технологии". Т. 12, вып.4. 2014, с.59-70, http://www.nsu.ru/xmlui/handle/nsu/7717; I.V. Minin and O.V. Minin. Diffractive optics and nanophotonics: Resolution below the diffraction limit, Springer, 2016 http://www.springer.com/us/book/9783319242514#aboutBook].

Известно устройство формирования терагерцового изображения объектов по патенту РФ №2631006, «Способ формирования изображения объектов с субдифракционным разрешением в миллиметровом, терагерцовом, инфракрасном и оптическом диапазонах длин волн», содержащее источник электромагнитного излучения, формирующего устройства, выполненного в виде линзы, диэлектрической мезоразмерной частицы, формирующей фотонную струю и расположенной в области фокуса формирующего устройства с характерным размером не менее λ/2, где λ - длина волны используемого излучения.

Достоинством устройства является высокое пространственное разрешение, достигающее λ/3-λ/4, а недостатком устройства является его сложность.

В качестве прототипа выбрано устройство визуализации источников терагерцового излучения [Патент РФ 2511070], содержащее источник терагерцового излучения, терагерцовый объектив, конвертер терагерцового излучения в инфракрасное излучение, состоящий из слоя искусственно созданного метаматериала с резонансным поглощением терагерцового излучения, нанесенного на твердую подложку, расположенный между входным терагерцовым объективом и объективом инфракрасной камеры, при этом конвертер выполнен на основе желатиновой матрицы, содержащей наночастицы металла, и снабжен отрезающим фильтром, размещенным перед матрицей с возможностью фильтрации теплового излучения источника терагерцового излучения с длинами волн не более 30 мкм.

Задачей, решаемой предлагаемым устройством, является увеличение чувствительности устройства.

Технический результат, который может быть получен при выполнении заявленного устройства - повышение качества получаемого терагерцового изображения объектов, за счет увеличения чувствительности устройства.

Поставленная задача решается благодаря тому, что устройство визуализации источников терагерцового излучения содержит источник терагерцового излучения, конвертер терагерцового излучения в инфракрасное излучение, расположенный между входным терагерцовым объективом и объективом инфракрасной камеры, снабжен отрезающим фильтром с возможностью фильтрации теплового излучения источника терагерцового излучения с длинами волн не более 30 мкм, согласно изобретению на освещенной поверхности конвертера терагерцового излучения расположен монослой диэлектрических мезоразмерных частиц, формирующих фотонные струи и с характерным размером частиц не менее λ/2, где λ - длина волны используемого излучения, при этом выбирают коэффициент преломления материала частиц, лежащий в диапазоне примерно от 1,2 до 1,7.

В результате проведенных исследований было установлено, что при освещении диэлектрической мезоразмерной частицы, например сферической формы, величина интенсивности электромагнитного поля на ее теневой стороне в области «фотонной» струи по отношению к интенсивности излучения на ее освещенной стороне больше и зависит только от показателя преломления материала n частицы. Например, для n ≈ 1,65 усиление такой сферической мезоразмерной частицы достигает около 100 [Boris S. Luk'yanchuk, , 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 то время как размер пятна (ширина фотонной струи) пропорционален размеру частиц и может быть менее чем λ/3-λ/5. За счет меньшей по объему формируемой области фокусировки достигается большая интенсивность облучения.

В первом приближении, интенсивность электромагнитного поля в области фокуса («фотонной» струе), может быть оценена по выражению, для сферической частицы:

где I₀ - интенсивность падающей на частицу волны.

При характерном размере частиц менее λ/2, где λ - длина волны используемого излучения, область фокусировки типа «фотонная» струя не формируется.

При коэффициенте преломления материала частиц менее примерно 1,2 область фокусировки становится более дифракционного предела и повышение чувствительности устройства не происходит.

При коэффициенте преломления материала частиц более примерно 1,7 область фокусировки типа «фотонная» струя смещается во внутрь частицы и повышение чувствительности устройства не происходит.

На фиг. 1 приведена схема предлагаемого устройства.

Обозначения: 1 - объект, источник ТГц излучения, 2 - ТГц объектив, 3 - фильтр, 4 - монослой диэлектрических мезоразмерных частиц, формирующих фотонные струи 5; 6 - двумерный конвертер, 7 - подложка, 8 - объектив ИК камеры, 9 - ИК камера.

Устройство работает следующим образом. ТГц-объектив 2 формирует в ТГц-лучах изображение объекта, являющегося источником 1 ТГц-излучения на фильтре 3. Фильтр 3 служит для фильтрации теплового излучения объекта в диапазоне длин волн 3-30 мкм, в котором находится пик излучения тела с температурой ≈ 300 К. Далее терагерцовое излучение попадает на монослой диэлектрических мезоразмерных частиц 4, формирующих фотонные струи 5. Монослой диэлектрических частиц находится на освещенной поверхности двумерного конвертера 6 и формируемые «фотонные» струи находятся в материале конвертера 6. За счет фокусировки терагерцового излучения происходит увеличение интенсивности электромагнитного поля в области фокусировки, что приводит к повышению трансформации терагерцового излучения в инфракрасное излучение. Сформированное конвертером 6 изображение в ИК-лучах, в свою очередь, служит предметом для объектива 8 ИК-камеры 9. А подложка 7, например, из сапфира, обеспечивает в данном примере осуществление устройства теплового излучения ИК-камеры с целью защиты конвертера от ИК-излучения камеры.

В качестве преобразователей ТГц-излучения в инфракрасное излучение, могут быть использованы известные устройства [например, K. Moldosanov and A.Postnikov, A terahertz-vibration to terahertz-radiation converter based on gold nanoobjects: a feasibility study, Beilstein Journal of Nanotechnology, 2016, vol. 7, pages 983-989; К.А. Молдосанов, В.М. Лелевкин, П.В. Козлов, А.К. Кавеев. Терагерц-инфракрасный конвертер на основе металлических наночастиц: потенциал применения // Вестник КРСУ. 2013. Том 13. No 4, с. 69-77; S.A. Kuznetsov, A.G. Paulish, A.V. Gelfand, P.A. Lazorskiy, and V.N. Fedorinin. Bolometric THz-to-IR converter for terahertz imaging // Applied Physics Letters, vol. 99, 023501 (2011); Патент РФ 2447574; Патент РФ 2642119; Патент Кыргызской Республики 1684 (2014); Патент РФ 2650343].

Появление промышленных высокочувствительных (с температурной чувствительностью ~ 14-50 мK) ИК-камер, например, [Веб-сайт компании Infrared Cameras, Inc., “Mirage P-Series Infrared Thermal Imaging Camera”. URL: http://www.infraredcamerasinc.com/infrared-camera-Mirage.html (8 декабря 2012 г.).], а также производство оптических элементов для ТГц-диапазона [Веб-сайт компании ЗАО ТИДЕКС®, “THz Lenses, THz Materials, and THz Low Pass Filters”. URL: http://www.tydexoptics.com/en/products/thz_optics/ (8 декабря 2012 г.)] позволило бы испытать такую схему в промышленном масштабе.

Отрезающий фильтр может быть выполнен с возможностью фильтрации ИК-излучения от источника ТГц-излучения в диапазоне длин волн 3-30 мкм и пропускающим ТГц-излучение от источника с длинами волн не менее 30 мкм.

Мезомасштабные диэлектрические частицы могут изготавливаться из диэлектриков с коэффициентом преломления, лежащим в диапазоне от 1,2 до примерно 1,7, таких как, например (О.V. Minin, I.V. Minin. Diffractional Optics of Millimetre Waves - IoP, Bristol and Philadelphia, 2004, 396p., pp. 369-373): полистирол, акрил, полиэтилен, полипропилен, поли-4-метилпентен, фторопласт, плавленый кварц, лавсан и других материалов, включая мета-материалы.

Характерный размер диэлектрических частиц целесообразно выбирать порядка λ, для более плотной их упаковки на поверхности терагерцового конвертера и уменьшения габаритов устройства.

В устройстве визуализации источников терагерцового излучения, в котором в качестве «усилителей» интенсивности терагерцового излучения используется монослой диэлектрических мезоразмерных частиц, формирующих область фокусировки в конвертере типа «фотонная» струя в мире на сегодня не известны. Соответственно, проведенный сопоставительный анализ предложенного технического решения с выявленными аналогами уровня техники, из которого данная заявка для специалиста в данной области знаний явным образом не следует, показал, что оно не известно и не очевидно.

С учетом вышеизложенного можно сделать вывод о соответствии настоящей заявки критериям патентоспособности.

Использование: для визуализации источников терагерцового излучения. Сущность изобретения заключается в том, что устройство визуализации источников терагерцового излучения содержит источник терагерцового излучения, конвертер терагерцового излучения в инфракрасное излучение, расположенный между входным терагерцовым объективом и объективом инфракрасной камеры, снабжено отрезающим фильтром с возможностью фильтрации теплового излучения источника терагерцового излучения с длинами волн не более 30 мкм, при этом на освещенной поверхности конвертера терагерцового излучения расположен монослой диэлектрических мезоразмерных частиц, формирующих фотонные струи, и с характерным размером частиц не менее λ/2, где λ - длина волны используемого излучения, при этом выбирают коэффициент преломления материала частиц, лежащий в диапазоне примерно от 1,2 до 1,7. Технический результат: увеличение чувствительности устройства. 1 ил.

Устройство визуализации источников терагерцового излучения, содержащее источник терагерцового излучения, конвертер терагерцового излучения в инфракрасное излучение, расположенный между входным терагерцовым объективом и объективом инфракрасной камеры, снабжено отрезающим фильтром с возможностью фильтрации теплового излучения источника терагерцового излучения с длинами волн не более 30 мкм, отличающееся тем, что на освещенной поверхности конвертера терагерцового излучения расположен монослой диэлектрических мезоразмерных частиц, формирующих фотонные струи, и с характерным размером частиц не менее λ/2, где λ - длина волны используемого излучения, при этом выбирают коэффициент преломления материала частиц, лежащий в диапазоне примерно от 1,2 до 1,7.