КВЧ варифокальная линза Российский патент 2021 года по МПК G02B3/14 G02B27/58 B82Y20/00 

Изобретение относится к КВЧ варифокальным фокусирующим устройствам с переменным фокусом без использования системы подвижных линз и предназначенных для фокусировки когерентного излучения в т.н. «фотонную струю». Данное устройство может быть использовано в системах передачи энергии в крайне высокочастотном (КВЧ) диапазоне и терагерцовом диапазоне частот, изображающих планарных устройствах, КВЧ микроскопах, устройствах интегральной квазиоптики, для соединения оптических волноводов, для ввода излучения в волноводы и т.д.

Известны жидкостные линзы с переменным фокусным расстоянием, получаемые за счет вращения жидкости [А.С. СССР 1296977, Фокусирующий оптический элемент с регулируемым фокусным расстоянием, Опубликовано: 15.03.1987, Бюл. №10].

Известна линза с переменным фокусным расстоянием [А.С. СССР 1453358, Опубликовано: 23.01.1989, Бюл. 3; А.С. СССР 13769. Объектив с жидкой преломляющей средой. Опубликовано 31 марта 1930 г.], в которой форма поверхности жидкостной линзы изменяется в зависимости от объема оптически прозрачной жидкости.

Известна электроуправляемая асферическая линза с переменным фокусным расстоянием [А.С.СССР 489058. Оптическая линза с переменным фокусным расстоянием. Опубликовано: 25.10.1975. Бюл. 39]. Линза с электрическим управлением фокусного расстояния состоит из полой стеклянной линзы, внутрь которой введены электроды и залит раствор серной кислоты. Изменение фокусного расстояния линзы происходит в результате изменения показателя преломления раствора серной кислоты при изменении управляющего напряжения.

Известно оптическое устройство с изменяемыми оптическими параметрами, которое может быть использовано в производстве миниатюрных объективов с переменным фокусным расстоянием [Патент РФ 2282221, Оптический элемент. Опубликовано: 20.08.2006, Бюл. № 23]. Устройство содержит контейнер в котором размещено две прозрачные в области рабочих длин волн несмешивающиеся жидкости с различными показателями преломления. Первая является диэлектриком, а вторая обладает свойствами электропроводности. Жидкости взаимодействуют между собой с образованием разделяющей их межфазной поверхности.

Кривизна поверхности определяет оптические параметры оптического элемента. Для управления кривизной этой межфазной поверхности контейнер оснащен электродами.

Известен управляемый оптический элемент, описанный в [Patent US №6369954], в котором оптическая поверхность сформирована на границе раздела двух несмешивающихся жидкостей с различными показателями преломления.

Известны оптические устройства с изменяемыми оптическими параметрами, основанные на использовании деформируемых оптических элементов. Например, в устройствах, описанных в [Patent US №5138494; Патент РФ №2234722; Патент РФ №2046388], применен оптический элемент, состоящий из двух линз, первая из которых представляет собой линзу с фиксированными параметрами, а вторая - деформируемую жидкостную линзу с изменяемыми оптическими параметрами. Вторая линза с одной стороны ограничена поверхностью первой линзы, а с другой - прозрачной деформируемой мембраной, при этом пространство между мембраной и первой линзой заполнено прозрачной жидкостью постоянного объема. Показатели преломления жидкости, мембраны и первой линзы выбраны как можно ближе друг к другу. Прозрачная деформируемая мембрана заключена в жестком кольцевом ободе, который соединен с периферийной частью первой линзы гибкой перемычкой, дающей возможность для изменения расстояния между ободом мембраны и первой линзой. Изменение расстояния между ободом мембраны и первой линзой осуществляется механическим приводом, например винтовым. При изменении этого расстояния жидкость, заполняющая объем между мембраной и первой линзой, изменяет прогиб мембраны, что приводит к изменению фокусного расстояния оптического элемента.

Известен оптический элемент, описанный в [Патент РФ №2037164], в котором изменение фокусного расстояния осуществляется под воздействием электрического поля. Этот оптический элемент содержит изготовленную из прозрачного диэлектрического материала дискообразную кювету, в полость которой введена капля прозрачной диэлектрической жидкости, например глицерина. Размер полости кюветы в направлении светового потока выбран, исходя из величины капиллярной постоянной системы "жидкость - материал кюветы", таким образом, что обеспечивается капиллярный эффект сцепления жидкости со стенками кюветы. В лицевой стенке кюветы (первой со стороны светового потока) выполнена круглая выемка, в зоне которой образуется гибкий деформируемый участок свободной поверхности жидкости - своеобразная жидкая деформируемая линза, кривизна поверхности которой зависит от сил поверхностного натяжения и объемного давления. На наружных поверхностях обеих стенок кюветы, расположенных на пути светового потока, а также на внутренней поверхности лицевой стенки вокруг указанной выемки, размещены прозрачные пленочные электроды, например, из In₂O₃. Эти электроды через схему управления подключены к источнику питания, создающему в пространстве между электродами электрическое поле, которое воздействует на силы поверхностного натяжения и объемного давления в жидкой линзе. В результате воздействия электрического поля жидкая линза деформируется, меняется кривизна ее поверхности и, следовательно, преломляющие свойства, что приводит к изменению фокусного расстояния оптического элемента.

Достоинством известных устройств является возможность изменения фокусного расстояния, а недостатком является низкое пространственное разрешение, не достигающего дифракционного предела.

Известна варифокальная жидкая линза в виде сидячей капли электропроводной жидкости на диэлектрической подложке, покрытой тонким слоем диэлектрика, а между подложкой и диалектиком вмонтирована сеть управляющих электродов [Krupenkin Т., Yang S., Mach P Tunable liquid microlens. // Appl. Phys. Lett., 82(3), 316-318, 2003]. Управление фокусным расстоянием такой линзы осуществляется путем изменения ее кривизны, в зависимости от прикладываемого к электродам электрического напряжения.

Данная линза не предназначена для фокусировки электромагнитного излучения КВЧ диапазона, низкое пространственное разрешение, не достигающего дифракционного предела.

Известна варифокальная жидкая линза, представляющая собой каплю жидкости, поглощающую излучение в объеме капли и сидящую на твердой прозрачной подложке, причем перестройка фокусного расстояния капли обусловлена изменением кривизны ее свободной поверхности из-за теплового воздействия лазерного пучка на каплю, под действием термокапиллярных сил, возбуждаемых тепловым воздействием лазерного пучка на каплю, а величина и знак кривизны и фокусного расстояния определяются мощностью лазерного пучка [Патент РФ 2652522. Варифокальная жидкая линза. Опубликовано: 26.04.2018 Бюл. No 12].

Достоинством варифокальной жидкой линзы является бесконтактное управление формой ее поверхности от режима собирающей, до режима рассеивающей линзы. Изменение фокусного расстояния линзы в виде капли нелетучей жидкости сидячей на прозрачной подложке происходит вследствие деформации ее свободной поверхности, вызываемой центробежными термокапиллярными силами, индуцированными тепловым воздействием управляющего лазерного пучка, при этом величина и знак фокусного расстояния определяются мощностью управляющего пучка.

Данное устройство не предназначено для фокусировки электромагнитного излучения КВЧ диапазона, а также имеет низкое пространственное разрешение, не достигающего дифракционного предела.

С помощью классических линз и объективов невозможно получить сфокусированный пучок с размером перетяжки (в поперечном относительно направления распространения излучения) размером меньше дифракционного предела.

Известно, что фундаментальный рэлеевский критерий разрешения оптических систем заключается в том, что минимальный размер различимого объекта несколько меньше длины волны используемого излучения и принципиально ограничен дифракцией этого излучения [Борн М., Вольф Э. Основы оптики. - М.: Мир, 1978]. Невозможность сфокусировать свет в свободном пространстве в пятно с размерами меньше некоторого дифракционного предела следует и из соотношения неопределенностей Гейзенберга [Minin I.V., Minin O.V. Experimental verification 3D subwavelength resolution beyond the diffraction limit with zone plate in millimeter wave // Microwave and Optical Technology Letters, Vol. 56, No. 10, October 2014, 2436-2439].

Под преодолением дифракционного предела понимается фокусировка излучения в пятно с размерами меньше, чем у пятна Эйри [Борн М., Вольф Э. Основы оптики. - М.: Мир, 1978].

Проблема "сверхфокусировки" при рассеянии световой волны на прозрачной диэлектрической твердотельной мезоразмерной частицы с различной формой поверхности обсуждались различными научными группами [Minin, I.V. and O.V. Minin. 2016. Diffractive Optics and Nanophotonics: Resolution Below the Diffraction Limit. New York: Springer; Lukiyanchuk, B., R. Paniagua-Domínguez, I. V. Minin, O. V. Minin and Z. Wang. 2017. Refractive index less than two: photonic nanojets yesterday, today and tomorrow. Opt. Mat. Express 7(6): 1820-1847; Minin, I. V., O. V. Minin and Y. Geintz. 2015. Localized EM and photonic jets from non-spherical and non-symmetrical dielectric mesoscale objects: brief review. Annalen der Physik 527(7-8):491-497]. Такие микрочастицы-линзы могут формировать области фокусировки вблизи их теневых поверхностей, называемой фотонной струей. Фотонная струя - это область фокусировки излучения с субволновыми размерами вблизи диэлектрической частицы. Фотонная струя возникает в области теневой поверхности диэлектрических микрочастиц - в т.н. ближней зоне дифракции - и характеризуется сильной пространственной локализацией и высокой интенсивностью оптического поля в области фокусировки [A. Heifetzetal. Photonic nano jets // J. Comput. Theor. Nanosci. 2009 September 1; 6(9): 1979-1992. doi:10.1166/jctn.2009.1254]. Фотонная струя характеризуется высоким значением пространственного разрешения до λ/3-λ/4, превышающий дифракционный предел и высокой интенсивностью излучения.

Такие мезоразмерные диэлектрические фокусирующие устройства применяются в оптическом диапазоне длин волн и в СВЧ, КВЧ диапазонах, включая терагерцовый диапазон длин волн [Минин И.В., Минин О.В. Квазиоптика: современные теденции развития - 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; V. Pacheco-Pena, M. Beruete, I.V. Minin, and O.V. Minin, “Terajets produced by dielectric cuboids,” Appl. Phys. Lett. 105, 084102 (2014); V. Pacheco-Pena, M. Beruete, I.V. Minin, and O.V. Minin, “Multifrequency focusing and wide angular scanning of terajets,” Opt. Lett. 40, 245-248 (2015)].

В качестве прототипа выбрано фокусирующее устройство по работе [Ibrahim Mahariq, Ibrahim H. Giden, Igor V. Minin, Oleg V. Minin, and Hamza Kurt. Strong electromagnetic field localization near the surface of hemicylindrical particles. Optical and Quantum Electronics (2017) 49:423]. Устройство состоит из мезоразмерной плоско-выпуклой сферической диэлектрической частицы с относительным показателем преломления по отношению к окружающему пространству изменяющегося в диапазоне от 1,2 до 2, с диаметром частицы не менее λ, где λ - длина волны излучения освещающего частицу со стороны ее плоского основания.

Недостатком устройства является невозможность бесконтактным методом управлять ее фокусным расстоянием, а достоинством - достижение высокого пространственного разрешения.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка КВЧ варифокальной линзы с высоким пространственным разрешением и возможностью бесконтактным методом управления ее фокусным расстоянием.

Техническим результатом является возможность электрически управлять фокусирующими свойствами мезоразмерного устройства в КВЧ диапазоне с фокусировкой излучения в область с высоким пространственным разрешением.

Задача достигается тем, что КВЧ варифокальная линза состоит из мезоразмерной плоско-выпуклой сферической диэлектрической частицы с относительным показателем преломления по отношению к окружающему пространству изменяющимся в диапазоне от 1,2 до 2, с диаметром частицы не менее λ, где λ - длина волны излучения освещающего частицу со стороны ее плоского основания. В отличие от прототипа частица представляет собой каплю жидкости, поглощающую излучение в объеме капли и сидящую на твердой прозрачной подложке с показателем преломления примерно равного показателю преломления капли, причем перестройка фокусного расстояния капли обусловлена изменением кривизны ее свободной поверхности из-за теплового воздействия электромагнитного излучения на каплю, под действием термокапиллярных сил, а диаметр формирующего пучка электромагнитного излучения не превышает примерно 0,2 диаметра капли. Кроме того, в качестве материала капли используется октан. Кроме того, в качестве материала капли используется нонан. Кроме того, в качестве материала капли используется декан. Кроме того, в качестве материала капли используется циклогекса́н.

Сущность полезной модели и возможность её осуществления поясняются схематическим чертежом, представленным на Фиг. 1, иллюстрирующим состав и взаимодействие основных частей заявляемой КВЧ варифокальной линзы.

Обозначения на Фиг.1: 1 - формирующий электромагнитный пучок, 2 - освещающий электромагнитный пучок, 3 - диэлектрическая подложка, 4 - диэлектрическая частица в форме жидкой капли, 5 - область фокусировки излучения.

Работа устройства происходит следующим образом. Капля прозрачной жидкости 4 на поверхности подложки 3 представляет собой плоско-выпуклую собирающую линзу и может фокусировать освещающее электромагнитное излучение 2 в область фокусировки излучения 5. При выборе материала капли 4 с относительным показателем преломления по отношению к окружающему пространству изменяющегося в диапазоне от 1,2 до 2, с диаметром частицы не менее λ, где λ - длина волны излучения освещающего частицу со стороны ее плоского основания, частица фокусирует падающее излучение в область фокусировки 5 с пространственным разрешением близким к дифракционному пределу и превышающим его.

Показатель преломления диэлектрической подложки 3 целесообразно выбирать примерно равным показателю преломления капли для уменьшения отражения электромагнитного излучения, возникающего на границе двух сред.

При включении формирующего электромагнитного пучка 1, направленного нормально к основанию капли 4, температура ее свободной поверхности в зоне воздействия пучка повышается, вследствие поглощения излучения в объеме капли, приводя к локальному понижению поверхностного натяжения. В результате на свободной поверхности капли 4 возникает центробежное поле термокапиллярных сил, которые, благодаря вязкости, перемещают жидкость из нагреваемой зоны к холодной кромке капли, вызывая тем самым деформацию ее свободной поверхности, Фиг. 1(б). Форма свободной поверхности и величина ее деформации зависит от мощности формирующего электромагнитного пучка 1. Постепенное увеличение мощности формирующего электромагнитного пучка 1 (показано осью мощности пучка на Фиг. 1) вызывает последовательное изменение свободной поверхности капли 4: уплощение свободной поверхности, приводящее к увеличению радиуса кривизны, а, следовательно, и фокусного расстояния капли 4, Фиг. 1(б), вплоть до момента когда свободная поверхность становится почти плоской, а ее фокусное расстояние стремится к бесконечности.

Изменение знака кривизны, вследствие деформации свободной поверхности капли 4 в виде термокапиллярного углубления, сопровождающееся уменьшением абсолютной величины радиуса кривизны и фокусного расстояния, Фиг. 1(в). В первом случае капля 4 является варифокальной собирающей линзой, а во втором - варифокальной рассеивающей линзой. Уменьшение мощности формирующего пучка 1 позволяет обратимо менять величину и знак фокусного расстояния. Выключение формирующего пучка 1 приводит к релаксации деформации свободной поверхности капли 4, вследствие чего, последняя принимает первоначальную форму.

Экспериментально установлено, что диаметр формирующего пучка электромагнитного излучения должен не превышать примерно 0,2 диаметра капли. В случае превышения диаметра формирующего пучка более примерно 0,2 диаметра капли деформация свободной поверхности капли становится неустойчивой.

В качестве рабочей жидкости в КВЧ диапазонах можно использовать октан, химическая формула - C₈H₁₈, нонан, химическая формула - C₉H₂₀, дека́н, химическая формула - C₁₀H₂₂, циклогекса́н, химическая формула - C₆H₁₂, которые имеют малые потери энергии в этом диапазоне, примерно равные 10^-3 и показатель преломления равный от 1,396 до 1,424 на частоте 475 ГГц [Измерения на миллиметровых и суб-мм. волнах: методы и техника. Валитов Р.А., Макаренко Б.И. (ред.) / Р. А. Валитов, C. Ф. Дюбко, Б. И. Макаренко и др.; Под ред. Р. А. Валитова, Б. И. Макаренко. - М.: Радио и связь, 1984. - 296 с.].

В качестве материала подложки можно использовать фторопласт, полистирол, полиэтилен и т.д., имеющие показатель преломления близкий или равный показателю преломления капли жидкости и малые потери энергии в этом диапазоне [Измерения на миллиметровых и суб-мм. волнах: методы и техника. Валитов Р.А., Макаренко Б.И. (ред.) / Р. А. Валитов, C. Ф. Дюбко, Б. И. Макаренко и др.; Под ред. Р. А. Валитова, Б. И. Макаренко. - М.: Радио и связь, 1984. - 296 с.].

Известно, что потери энергии в капле жидкости и материале подложки в СВЧ (КВЧ) диапазонах на несколько порядков больше, чем в оптическом диапазоне длин волн.

В качестве источников электромагнитной энергии можно использовать лазеры, диоды Ганна, лавинно-пролетные диоды, лампы обратной волны и т.д. соответствующих диапазонов частот [Измерения на миллиметровых и суб-мм. волнах: методы и техника. Валитов Р.А., Макаренко Б.И. (ред.) / Р. А. Валитов, C. Ф. Дюбко, Б. И. Макаренко и др.; Под ред. Р. А. Валитова, Б. И. Макаренко. - М.: Радио и связь, 1984. - 296 с.], при этом диапазон излучения формирующего пучка электромагнитного излучения и фокусируемого излучения могут быть различными.

КВЧ варифокальная линза с возможностью электрически бесконтактно управлять ее фокусным расстоянием и фокусировать электромагнитное излучение крайне высокочастотного диапазона в область с субдифракционным размером из литературы не- известна и ее фокусирующие свойства неочевидны.

Линза может быть использована в системах передачи энергии в крайне высокочастотном (КВЧ) диапазоне и терагерцовом диапазоне частот, изображающих планарных устройствах, КВЧ микроскопах, устройствах интегральной квазиоптики, для ввода излучения в волноводы и т.д. КВЧ варифокальная линза состоит из мезоразмерной плоско-выпуклой сферической диэлектрической частицы в виде капли жидкости с относительным показателем преломления по отношению к окружающему пространству, изменяющимся в диапазоне от 1,2 до 2, с диаметром частицы не менее λ, где λ - длина волны излучения, освещающего частицу со стороны ее плоского основания. Капля жидкости поглощает излучение и расположена на твердой прозрачной подложке с показателем преломления, примерно равным показателю преломления капли. Фокусное расстояние капли изменяют путем изменения кривизны ее свободной поверхности под действием термокапиллярных сил. Диаметр формирующего пучка не превышает примерно 0,2 диаметра капли. Технический результат - возможность электрически управлять фокусирующими свойствами мезоразмерного устройства в КВЧ диапазоне с фокусировкой излучения с высоким пространственным разрешением. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. КВЧ варифокальная линза состоящая из мезоразмерной плоско-выпуклой сферической диэлектрической частицы с относительным показателем преломления по отношению к окружающему пространству, изменяющимся в диапазоне от 1,2 до 2, с диаметром частицы не менее λ, где λ - длина волны излучения, освещающего частицу со стороны ее плоского основания, отличающаяся тем, что вышеупомянутая частица представляет собой каплю жидкости, поглощающую излучение в объеме капли и сидящую на твердой прозрачной подложке с показателем преломления, примерно равным показателю преломления капли, причем перестройка фокусного расстояния капли обусловлена изменением кривизны ее свободной поверхности из-за теплового воздействия формирующего электромагнитного излучения на каплю, под действием термокапиллярных сил, а диаметр формирующего пучка электромагнитного излучения не превышает примерно 0,2 диаметра капли.

2. КВЧ варифокальная линза по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве материала капли используется октан.

3. КВЧ варифокальная линза по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве материала капли используется нонан.

4. КВЧ варифокальная линза по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве материала капли используется декан.

5. КВЧ варифокальная линза по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве материала капли используется циклогексáн.