Квазиоптический волновод Российский патент 2021 года по МПК H01P3/20 

Изобретение относится к СВЧ и терагерцевым квазиоптическим устройствам для передачи волн, в частности к устройствам квазиоптических линий передачи - волноводам, 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 Затухание в металлических волноводах растет пропорционально частоте в степени три вторых, что делает невозможным их применение в терагерцевом 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 терагерцевом 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 оптической линии передач миллиметровых и субмиллиметровых волн [Патент СССР No171453, 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.

Из технической литературы хорошо известно, что в простейшем случае при перпендикулярном падении на границу раздела электромагнитной волны отношение отраженной энергии к падающей определяется:

где n_1,2 представляют показатели преломления окружающей среды и материала линзы квазиоптического волновода. Таким образом, отражательная способность R зависит только от различия показателей преломления обоих сред.

Недостатками такого устройства являются сложность диэлектрических линз и необходимость точного соблюдения расстояний между линзами, большие потери на отражение излучения на границе линзы - свободное пространство, обусловленные высоким значением показателя преломления материала линз.

Известно устройство квазиоптического волновода [Патент РФ 163231, МПК Н01Р], состоящее из набора диэлектрических полулинз, пространственно разнесенных между собой на равные расстояния и расположенных вдоль направления распространения волн на металлической подложке.

Недостатками данного квазиоптического волновода являются сложность устройства и большие потери на отражение излучения на границе линзы - свободное пространство, обусловленные высоким значением показателя преломления материала линз устройства.

Известно устройство квазиоптической линии передачи терагерцовых волн, содержащее набор диэлектрических линз, пространственно разнесенных между собой и расположенных вдоль направления распространения волн, при этом 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 [Патент РФ 2 591282, Устройство квазиоптической линии передачи терагерцевых волн, авт. Минин И.В., Минин О.В., Опубл. 20.07.2016 Бюл. No 20].

Недостатками квазиоптической линии передачи терагерцовых волн являются большие потери на отражение излучения на границе линзы - свободное пространство, обусловленные высоким значением показателя преломления материала линз устройства, сложность устройства, обусловленная необходимостью точного соблюдения расстояний между линзами и их юстировки.

Известен квазиоптический планарный волновод, содержащий набор планарных линз, пространственно разнесенных между собой и расположенных вдоль направления распространения излучения и размещенных на металлической подложке [T. Yoneyama, M. Shimokoriyama, S. Nishida. Lens design for surface wave applications // Electronics Letters, 5th March 1981, V.17, No. 5, p. 210-211].

Недостатками квазиоптического планарного волновода являются большие потери на отражение излучения на границе линзы - свободное пространство, обусловленные высоким значением показателя преломления материала линз устройства, сложность устройства, обусловленная необходимостью точного соблюдения расстояний между линзами и их юстировки.

Ближайшим техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является 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 λ. 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 высоким 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 являются большие потери на отражение излучения на границе линза - свободное пространство.

Задачей предлагаемого изобретения является создание квазиоптического волновода, отличающегося малыми потерями излучения на отражение на границе линза - свободное пространство.

Технический результат выражается в том, что квазиоптический волновод имеет большую эффективность передачи излучения, за счет практически отсутствия потерь излучения на отражение от границ линза - свободное пространство.

Поставленная задача достигается тем, что квазиоптический волновод содержит набор диэлектрических линз, выполненных в форме сфер и расположенных соосно вплотную друг к другу в направлении распространения излучения, согласно изобретению, линзы выполнены из материала с относительным показателем преломления находящимся, примерно, в диапазоне более 1,01 до 1,05. Кроме того линзы могут быть выполнены в форме дисков и располагаться на металлической подожке.

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

Заявителем не выявлены источники информации, в которых содержались бы сведения о влиянии отличительных признаков полезной модели на достигаемый технический результат. Указанные новые свойства объекта обусловливают, по мнению заявителя, соответствие полезной модели критерию «изобретательский уровень».

На фиг. 1 представлена схема квазиоптического волновода со сферическими линзами.

На фиг. 2 представлена схема квазиоптического планарного волновода с линзами в форме дисков.

На фиг. 3 приведен пример результата моделирования распространения электромагнитной волны в квазиоптическом волноводе. Диаметр линз равен 4λ, где λ длина волны излучения, показатель преломления материала линзы n=1,05.

Обозначения: 1 - падающее излучение, 2 - сферические (шарообразные) линзы, 3 - излучение на выходе квазиоптического волновода, 4 - дискообразные линзы, 5 - металлическая подложка.

Устройство работает следующим образом. При падении электромагнитной волны 1 на расположенные соосно вплотную друг к другу в направлении распространения излучения набор диэлектрических линз в форме сфер 2 либо дисков 4, электромагнитная волна проникает внутрь диэлектрического материала линз. Поскольку излучение внутри линзы 2 либо линзы 4 в окрестности их поверхности распространяется с большей фазовой скоростью, чем излучение в центре линзы, возникающий набег фазы между различными участками падающей волны приводит к деформации волнового фронта излучения и приводит к фокусировке излучения (ширина пучка электромагнитного излучения периодически уменьшается), что и обеспечивает возможность квазиоптической передачи электромагнитной энергии. При этом дисковая линза 4 может располагаться на металлической подложке 5.

Такая линза, состоящая из соосно расположенных в непосредственной близости друг от друга сферических или дисковых линз, количеством не менее 2 может рассматриваться как неоднородная среда. Коэффициент преломления такой среды n(x) уменьшается от оси (х - расстояние до оси). Установлено, что наибольший (на оси) показатель преломления n(0) линзы должен быть равен примерно 1,01-1,05. при показателе преломления менее примерно 1,01 фокусировка электромагнитного излучения внутри материала линз не происходит. При показателе преломления более примерно 1,05 увеличиваются потери излучения на отражение на границе линза - свободное пространство и уменьшается период фокусировки в материале линз, что ведет к увеличению пути прохождения излучения в линзе (эквивалентно увеличению толщины линз) и увеличению потерь излучения на поглощение в материале линз.

Из технической литературы известно, что наименьшими потерями на отражение падающего электромагнитного излучения обладает линза с минимальным показателем преломления. При указанных показателях преломления, потери на отражение составляют всего несколько процентов.

В качестве материалов линз квазиоптического волновода могут быть использованы, например, в микроволновом и субмиллиметровом диапазоне длин волн: пеноматериалы, метаматериалы, композитные материалы, например, пенополистирольный пенопласт ПС-1 при плотности материала 0,1 г/см³имеет показатель преломления 1,05 [Пенопласты Под ред. А.А. Моисеева - М.: Оборонгиз, 1960. - 184 с.], композиты на основе фторопласта 4 перекрывают диапазон значений n от 1.05 до 1.40 на длине волны 1-2 мм [Измерения на миллиметровых и субмиллиметровых волнах/ Под ред. Р.А. Валитова и Б.И. Макаренко - М.: Сов. Радио, 1984. - 296 с.].

В оптическом и терагерцевом диапазонах длин волн показатель преломления n метаматериалов может быть больше единицы, около единицы или меньше единицы [Сухов С.В. Гетерогенная среда с единичным показателем преломления // Известия Самарского научного центра. - 2004. -Т. 6. - С. 149-154; Сухов С.В. Нанокомпозитный материал с единичным показателем преломления // Квантовая электроника. - 2005. -Т. 35, No 8. - С. 741-744; Optical cloaking with metamaterials / W. Cai, U. Chettiar, A. Kildishev, V. Shalaev // Nature Photonics. - 2007. - Vol. 7. - P. 224-227; Moiseev S.G. Active maxwell-garnett composite with the unit refractive index // Physica B: Physics of Condensed Matter. -2010. - Vol. 405. - P. 3042-3045; Моисеев С.Г. Оптические свойства композитной среды Максвелла-Гарнета с серебряными включениями несферической формы // Известия ВУЗов. Физика. - 2009. - Т. 52, No 11. -С. 7-12; Sergey G. Moiseev Active Maxwell-Garnett composite with the unit refractive index // Physica B 405 (2010) 3042-3045]. Например, создан материал с показателем преломления 1.025 в оптическом диапазоне длин волн [Xu A. Zhang , Abhijeet Bagal , Erinn C. Dandley , Junjie Zhao , Christopher J. Oldham , Bae-Ian Wu , Gregory N. Parsons , and Chih-Hao Chang. Ordered 3D Thin-Shell Nanolattice Materials with Near-Unity Refractive Indices // Adv. Funct. Mater. 2015, 25, 6644-6649].

Таким образом, решается задача создания квазиоптического волновода с минимальными потерями излучения на отражение на границе линза-0свободное пространство.

Использование: для передачи волн. Сущность изобретения заключается в том, что квазиоптический волновод содержит набор диэлектрических линз, выполненных в форме сфер и расположенных соосно вплотную друг к другу в направлении распространения излучения, согласно изобретению, линзы выполнены из материала с относительным показателем преломления, находящимся, примерно, в диапазоне более 1,01 до 1,05. Технический результат: обеспечение возможности создания квазиоптического волновода, отличающегося малыми потерями излучения на отражение на границе линза - свободное пространство. 3 ил.

Квазиоптический волновод, включающий набор диэлектрических линз, выполненных в форме сфер и расположенных соосно вплотную друг к другу в направлении распространения излучения, отличающийся тем, что линзы выполнены из материала с относительным показателем преломления, находящимся, примерно, в диапазоне более 1,01 до 1,05.