Терагерцовый полимерный волновод Российский патент 2021 года по МПК G02B6/00 

Изобретение относится к области терагерцовой оптики, в частности к средствам волноводной передачи ТГц излучения, и может быть использовано в таких областях, как передача информации на ТГц частотах, экспрессные методы анализа газов, в том числе загрязнений атмосферы или состава выдыхаемого человеком воздуха, по которому можно судить о состоянии здоровья, сфера безопасности и досмотра пассажиров на транспорте в качестве инструмента для идентификации запрещенных веществ.

Изобретение относится к волноводным методам передачи электромагнитного излучения в диапазоне частот 0.1-10 ТГц, которое занимает промежуточное положение между микроволновым и инфракрасным областями шкалы электромагнитных волн. Благодаря ряду специфических свойств ТГц диапазон привлекателен для проведения большого круга фундаментальных и прикладных исследований в области физики и химии.

Основные требования для практических приложений ТГц волноводов – максимальная эффективность передачи излучения в широком спектральном диапазоне, малая дисперсия для ТГц импульса на длине передачи и гибкость (малые изгибные потери мощности излучения, механическая возможность обратимого изгиба).

Фундаментальная проблема в разработке ТГц волноводов состоит в отсутствии достаточно прозрачных эластичных материалов для этого спектрального диапазона. Поэтому наиболее перспективны конструкции волноводов, где максимальная доля излучения передается в воздухе (или другом газе), а минимальная доля распространяется в твердом материале, ограничивающем волноводный канал.

Перспективны волноводы с полой сердцевиной, использующие концепцию фотонного кристалла для удержания и передачи излучения по волноводной воздушной сердцевине. Волноводные свойства в этом случае обусловлены тем, что отражающая оболочка в поперечном сечении представляет собой регулярную двумерную периодическую структуру (аналог решетки Брэгга) с периодом порядка длины волны излучения. Рассеяние излучения на периодической структуре создает условия запрета для длин волн, соответствующие окнам прозрачности волновода. В итоге внутрицентральной воздушной области формируются локализованные моды излучения, которые распространяются вдоль воздушной сердцевины и не могут её покидать.

Известен пористый ТГц ФКВ, который представляет собой цилиндр из полимера, параллельно центральной оси, которого имеются продольные воздушные каналы, которые образуют гексагональный пористый массив отверстий в поперечном сечении. Диаметр каналов и расстояния между ними меньше длины волны ТГц излучения. Смысл периодической структуры воздух-полимер в том, что в пределах гексагонального массива формируется результирующий эффективный показатель преломления, который позволяет передачу соответствующих мод излучения вдоль этого массива [A. Hassani, A. Dupuis, M. Skorobogatiy. Low loss porous terahertz fibers containing multiple subwavelength holes. – Applied Physics Letters 92, 071101 (2008)].

Известен фотонно-кристаллический волновод (ФКВ) с полой сердцевиной, где отражающая оболочка состоит из чередующихся слоев полимеров с разными показателями преломления [патент США US 2009/0097809 A1, опубл. 16.04.2009].

Недостатком таких волноводов является узкая полоса пропускания и довольно большие потери мощности ТГц излучения на выходе ввиду сильного поглощения ТГц излучения в использованных полимерах, а также по причине распространения передаваемого поля на несколько отражающих слоев в структурированную оболочку, где излучение поглощается.

Известен сапфировый терагерцовый фотонно-кристаллический волновод, представляющий собой диэлектрическое тело из монокристаллического сапфира, в котором имеются параллельные центральной продольной оси каналы, расположенные в виде гексагональной структуры, при этом минимальный размер сечения каналов волновода равен или больше длины волны передаваемого ТГц излучения. Применение монокристаллического сапфира в качестве материала волновода позволило снизить потери мощности передаваемого ТГц излучения, так как сапфир обладает существенно более низким поглощением ТГц электромагнитного излучения в сравнении с полимерными средами и стеклами [Патент РФ № 2601770 С1 опубл.10.11.2016].

Недостатком такого волновода является малая длина (несколько десятков см), отсутствие физической возможности изгиба для практических приложений доставки излучения в труднодоступные места, а также относительная дороговизна.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является микроструктурированный волоконный световод с полой сердцевиной для локализации и передачи излучения высокой оптической мощности в спектральном диапазоне частот от видимого до ИК-излучения [Патент РФ № 2563555 C1 опубл.20.09.2015].

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого изобретения, являются: наличие опорной трубы из диэлектрического материала; наличие волноводной полой сердцевины, образованную областью вблизи оси волновода, при этом границы сердцевины имеют поверхность с отрицательной кривизной и внешнее защитное покрытие.

Однако данный волновод не содержит конструктивные элементы в виде тонкостенных трубок, выполненных из диэлектрического материала, крепящихся к внутренней поверхности опорной трубы, которые могут либо касаться друг друга, либо располагаться раздельно. Кроме того, технический результат прототипа состоит в локализации излучения высокой оптической мощности в спектральном диапазоне частот от видимого до ИК-излучения, в то время как назначение заявляемого изобретения относится к ТГц области спектра, где длина волны существенно больше, что накладывает новые ограничения на диаметр волновода.

Таким образом, наиболее близкий аналог заявляемого изобретения представляет собой устройство с полой волноводной сердцевиной, окруженной отражающей оболочкой в виде одного слоя цилиндрических капилляров в количестве трех и более.

Такого типа конструкции впервые получили название волноводов с отрицательной кривизной границы сердцевина – оболочка [A.D. Pryamikov, A.S. Biriukov, A.F. Kosolapov, V.G. Plotnichenko et.al.Demonstration of a waveguide regime for a silica hollow - core microstructured optical fiber with a negative curvature of the core boundary in the spectral region > 3.5 μm. Opt.Express. 2011/ 19. 1441-1448]

Принципиальное отличие этого подхода от известных устройств с использованием концепции фотонного кристалла в качестве отражающей оболочки состоит в том, что волноводные свойства формируются отражением излучения от первой границы раздела сердцевина – оболочка. Определяющие параметры, которые задают волноводные свойства и спектральный диапазон пропускания – диаметр полой волноводной сердцевины, толщина стенки капилляров, степень отрицательной кривизны границы раздела, ТГц преломление материала, а также стабильность этих параметров вдоль длины волновода. В частности, увеличение диаметра волноводной полости, уменьшение толщины стенок капилляров и увеличение степени отрицательной кривизны границы сердцевина-оболочка каждое по отдельности приводит к уменьшению потерь излучения. Однако, эти параметры взаимосвязаны друг с другом, ограниченны внешним размером и механической прочностью. Например, в конструкции аналога, где оболочка состоит из 8-ми капилляров, рост диаметра полой сердцевины приведет к росту диаметра капилляров, что в конечном итоге увеличит общий диаметр волновода и, соответственно, ухудшит гибкость. С другой стороны, для того чтобы увеличить отрицательную кривизну границы сердцевина – оболочка необходимо уменьшить количество капилляров, что приведет к уменьшению диаметра волноводной полости. Очевидно, что требуется оптимальное соотношение между этими тремя параметрами для достижения приемлемой эффективности пропускания ТГц излучения волноводом.

Непосредственный перенос конфигурации волновода с отрицательной кривизной границы сердцевина-оболочка ТГц диапазон сталкивается с проблемами, главная из которых – значительный диаметр поперечного сечения волокна (несколько см, поскольку длина волны ТГц излучения имеет см масштаб), что отрицательно сказывается на его гибкости. Кроме того, наиболее приемлемыми по оптической прозрачности диэлектрическими материалами для ТГц диапазона являются полимеры (полиэтилен, полипропилен, полиметилпентен). Изготовление волноводов с отрицательной кривизной границы сердцевина – оболочкаиз полимеров связано с еще большими трудностями по сравнению со случаемизготовления их из стекол. Они в основном связаны с удержанием стабильности геометрической формы и размеров поперечного сечения вдоль длины волновода, что негативно влияет на его волноводные свойства.

Задача изобретения – создание ТГц волновода с полой сердцевиной и однорядной отражающей оболочкой обеспечивающий увеличение диаметра полой волноводной сердцевины при фиксированном значении общего диаметра волновода, что в конечном итоге приводит к увеличению гибкости волновода и к уменьшению удельных потерь передаваемого им ТГц излучения.

Технический результат достигается за счет того, что в опорную гибкую полимерную трубку цилиндрической формы вставлена другая трубка из того же материала, стенка которой имеет, по меньшей мере, три равноудаленных друг от друга гофра полукруглой формы в продольном к центральной оси направлении, при этом волноводная полая сердцевина, ограничена гофрированной границей, представляющая собой поверхность с отрицательной кривизной.

Заявляемая совокупность существенных признаков (опорная гибкая полимерная трубка с защитным слоем на поверхности, полимерная трубка со стенкой в виде равномерно расположенных полукруглых гофров в продольном к центральной оси направлении, полая сердцевина отрицательной кривизны) позволяет увеличить диаметр волноводной сердцевины, по сравнению с прототипом, при неизменном внешнем диаметре волновода, тем самым повышая гибкость волновода и уменьшая потери передаваемого ТГц излучения.

Сущность предложенной конструкции состоит в том, что полая сердцевина и граница с отрицательной кривизной в точности повторяют форму полой сердцевины прототипа, а целые капилляры, формирующие отражающую оболочку, заменены на «полукапилляры» путем придания стенкам гофрированного вида. Тем самым, диаметр полой волноводной сердцевины увеличивается на величину, равную диаметру одного капилляра отражающей оболочки, по сравнению с конструкцией прототипа при одном и том же значении внешнего диаметра волновода. В частности, для волновода с оболочкой из шести гофрированных частей, радиус волноводной полости увеличивается в два раза по сравнению со случаем, когда отражающая оболочка образована из 6-ти целых капилляров. Для волновода из 8-ми гофрированных частей, центральная полость увеличивается в 1.62 раза. В ТГц диапазоне увеличение диаметра центральной воздушной области существенно уменьшает затухание в волноводе, связанное с поглощением в материале стенок.

Важным преимуществом данного подхода является также метод изготовления, суть которого состоит в придании определенным образом гофрированных форм стенкам одного целого капилляра цилиндрической формы. Что касается прототипа, то он изготавливается стекловолоконным методом «сборки и перетяжки», где первоначальная заготовка собирается путем укладки отдельных капилляров в количестве от трех и более в опорную трубу, после чего ее под нагревом перетягивают в малые поперечные размеры.

Процесс является сложным и прецизионным, в ходе которого необходимо добиться одновременного спекания капилляров друг с другом и с опорной трубой без искажения исходной формы поперечного сечения заготовки. Известно, что эти сложности вносят заметную ошибку в стабильность геометрических размеров полимерного ТГц волновода вдоль его длины.

Таким образом, изобретение позволяет при фиксированных значениях общего диаметра цилиндрического волновода, степени отрицательной кривизны и толщины стенок волноводной границы увеличить диаметр полой сердцевины, повысить точность изготовления, а, следовательно, одновременно увеличить гибкость и эффективность волноводной передачи ТГц излучения.

Осуществление изобретения

Гибкий ТГц волновод содержит опорную трубу 1 из полимерного материала, например полипропилен, полиэтилен, топас (фиг.1). Другая труба 3 из такого же материала, стенки которой имеют, по меньшей мере, три равноудаленных гофра полукруглой формы в продольном к центральной оси направлении вставлена внутрь опорной трубы 1 таким образом, что острийные части (граница между двумя соседними гофрами) плотно упираются к внутренней поверхности трубы 1. Соответственно гофрированная форма стенок трубы 3 создает в своей внутренней части волноводную сердцевину 2 с границей, которая представляет собой поверхность с отрицательной кривизной. Кроме того, волновод имеет внешнее покрытие 4 из металла, капрона или другого материала, не пропускающего ТГц излучение.

Принцип работы терагерцового полимерного волновода.

ТГц излучение фокусируется оптической системой на полую сердцевину входного торца волновода. В волноводе (для области спектра в окне прозрачности) формируется единственная мода в области центральной оси, устойчивость и затухание которой определяется геометрическими параметрами поперечного сечения, такими как, диаметр полой сердцевины R (фиг.1), толщина стенки гофрированной границы d, а также глубиной гофра h, после чего энергия ТГц излучения распространяется от входного торца к выходному торцу.

На фиг. 3 на одном графике представлены спектры ТГц широкополосного импульса падающего на входной торец волокна (черная линия) и прошедшего через 20 см длины волновода спектра (красная линия). Видно, что прошедший спектр имеет зонную структуру благодаря резонансному отражению лучей от стенок сердцевины - оболочка.

Положение окон прозрачности на спектре пропускания можно оценить из выражения:

d/λ=(0.5k-0.25)/(ε-1)^1/2, (1),

где d – толщина гофрированных стенок, λ– длина волны излучения, ε – диэлектрическая проницаемость полимера, k – целые числа 0,1,2… – номера окон прозрачности. В частности, для k=2 с учетом, что для большинства полимеров ε=2.25, из этой формулы получим, что d/λ=0.67.

Для реального волновода эта величина составляет 0.7-0.8 (фиг. 4, правая ось) и как показали эксперименты и расчёты, она сильно зависит от радиуса волноводной жилы (фиг. 4, левая ось). Поскольку в используемых полимерных материалах преломление практически не зависит от частоты излучения, а поглощение мало, то геометрические размеры волновода масштабируются с длиной волны. Для проектирования волноводов удобно использовать нормированную на длину волны зависимость потерь от радиуса и толщины стенок для ряда окон прозрачности. Фиг. 4 демонстрирует данную зависимость, из которой видно, в какой степени увеличение радиуса центральной жилы R понижает поглощение Im(β). В зависимости от того, какие ТГц частоты передавать при проектировании волновода, необходимо находить оптимальный компромисс между гибкостью (~1/R) и потерями (~Im(β). В частности, для передачи частоты 3ТГц, оптимальные параметры толщины стенки d и радиуса сердцевины R составили 70 мкм и 435 мкм, соответственно. Потери мощности на выходе волновода длины 30см при радиусе изгиба в 7см не превысили 20%.

Терагерцовый полимерный волновод поясняется фиг. 1-5.

Фиг. 1. Схематичное изображение частного случая поперечного сечения изобретения, имеющего 8 одинаковых равноудаленных гофра: 1 – опорная труба, 2 – полая волноводная сердцевина, 3 –полукруглые гофры, 4 – защитный слой

Фиг. 2. Фотография поперечного среза гофрированной части реальных образцов без внешней оболочки с количеством гофров 8 слева и 6 справа

Фиг. 3. Спектры падающего и прошедшего ТГц импульсов для 20 см участка полимерного ТГц гофрированного (8 «полукапилляров») волновода с внешним диаметром 4.5 мм

Фиг.4. Нормированная на длину волны зависимость потерь волновода (левая ось) и оптимальной толщины гофрированной стенки (правая ось) от радиуса R. Штриховые линии – значение оптимальной толщины из аналитической формулы (1), k – номер окна прозрачности.

Фиг.5. Фото, подтверждающее гибкость волновода.

Изобретение относится к области терагерцовой оптики, в частности к волноводам. Терагерцовый полимерный волновод, содержащий опорную диэлектрическую трубу цилиндрической формы, опорная труба изготовлена из полимерного материала, другая труба из такого же материала, стенки которой имеют, по меньшей мере, три равноудаленных гофра полукруглой формы в продольном к центральной оси направлении, вставлена внутрь опорной трубы, причем острийные части границы между двумя соседними гофрами плотно упираются к внутренней поверхности трубы, где гофрированная форма стенок трубы создает в своей внутренней части волноводную сердцевину с границей, которая представляет собой поверхность с отрицательной кривизной. Волновод имеет внешнее покрытие из капрона – материала, не пропускающего ТГц излучение, при этом геометрические размеры волновода в поперечном сечении подобраны таким образом, что внутри волновода формируется единственная мода в области центральной оси, что обеспечивает малые потери и дисперсию для ТГц сигнала на длине передачи. Технический результат – увеличение диаметра полой волноводной сердцевины при фиксированном значении общего диаметра волновода, что в конечном итоге приводит к увеличению гибкости волновода и к уменьшению удельных потерь передаваемого им ТГц излучения. 5 ил.

Терагерцовый полимерный волновод, содержащий опорную диэлектрическую трубу цилиндрической формы, опорная труба изготовлена из полимерного материала, другая труба из такого же материала, стенки которой имеют, по меньшей мере, три равноудаленных гофра полукруглой формы в продольном к центральной оси направлении, вставлена внутрь опорной трубы, причем острийные части границы между двумя соседними гофрами плотно упираются к внутренней поверхности трубы, где гофрированная форма стенок трубы создает в своей внутренней части волноводную сердцевину с границей, которая представляет собой поверхность с отрицательной кривизной, отличающийся тем, что волновод имеет внешнее покрытие из капрона – материала, не пропускающего ТГц излучение, при этом геометрические размеры волновода в поперечном сечении подобраны таким образом, что внутри волновода формируется единственная мода в области центральной оси, что обеспечивает малые потери и дисперсию для ТГц сигнала на длине передачи.