Линза для терагерцового излучения и способ ее изготовления Российский патент 2021 года по МПК G02B3/00 G02B1/00 B29D11/00 B82Y20/00 

Изобретение относится к оптике, а именно к элементам для передачи излучения терагерцового (ТГц) диапазона, и может быть использовано в устройствах терагерцовой спектроскопии и в ТГц изображающих системах в биомедицине, химической и фармацевтической промышленности, в системах неразрушающего контроля и безопасности и др.

Известным устройством для преобразования формы волнового фронта в оптике является линза, представляющая собой тело из прозрачного однородного материала, имеющее две рабочие поверхности, обе сферические или одну - плоскую, а другую - сферическую, кроме того форма поверхности может отличаться от сферы. Для излучения терагерцового диапазона в качестве материала линзы используется ограниченное количество полимеров и кристаллических материалов. Они обладают приемлемым поглощением электромагнитных волн данного диапазона, умеренной дисперсией групповых скоростей, а также достаточной формоустойчивостью для изготовления массивных линз, предназначенных для передачи электромагнитного излучения данного диапазона длин волн.

Недостатками линз для ТГц излучения, в зависимости от природы их материала, являются: для полимерных - узкий диапазон рабочих температур, низкая жесткость, что критично для применения в импульсной спектроскопии, и достаточно высокая дисперсия; для кристаллических - сложность синтеза материала и получения формы линзы путем механической обработки из-за высокой твердости заготовки, а также, в некоторых случаях, анизотропия их оптических свойств. В отличие от кристаллических материалов, свойства большинства полимерных материалов позволяют изготавливать из них линзы ТГц диапазона посредством механической обработки.

Известным устройством для преобразования формы волнового фронта ТГц излучения является линза для фокусировки пучка терагерцового излучения, представляющая собой тело вращения из полиметилпентена (ТРХ) с высоким пропусканием ТГц излучения, имеющее структуру пор, такую, что порядок структуры меньше длины волны [F. Zhou, W. Сао, В. Dong, Т. Reissman, W. Zhang, and С.Sun, "Additive manufacturing of a 3D terahertz gradient-refractive index lens," Adv. Opt. Mater. 4(7), 1034-1040 (2016)]. В линзе также размеры пор плавно уменьшаются, обеспечивая градиент показателя преломления. Линза используется для получения фокусированного пятна излучения, размеры которого близки к пятну, определяемому пределом Аббе. Несмотря на то что для полимерных линз форма и структура (пористость) могут быть получены для различных геометрий с применением вытяжки, прессования или 3D-печати, существенным недостатком их является потеря свойств даже при незначительном увеличении температуры.

В известном способе получения объемных опалоподобных материалов путем осаждения и высушивания коллоидной суспензии глобул SiO₂ с последующим отжигом получают прочные пористые материалы на основе аморфного диоксида кремния, физические свойства которого существенно превосходят свойства полимеров и сохраняются до температуры отжига ["Structura1 modification of synthetic opals during thermal treatment", E. Samarov, A. Mokrushin, V. Masalov, G. Abrosimova, and G. Emelchenko, Phys. Solid State 48(7), 1280-1283 (2006).]. Порядок структуры, который составляет несколько сотен нанометров, определяется размером исходных глобул и усадкой в процессе отжига, которая дополнительно уменьшает расстояния между частицами. Кристалл обладает достаточной прочностью и легко может быть обработан для получения формы линзы.

Технический результат, на который направлено изобретение, состоит в расширении номенклатуры ТГц элементов с различными оптическими характеристиками, увеличении вариативности возможных форм и характеристик линз для ТГц; увеличении диапазона рабочих температур.

Технический результат достигается за счет того, что в линзе для терагерцового излучения, представляющей собой тело из материала с высоким пропусканием терагерцового излучения, материал имеет структуру с периодом меньше длины волны излучения, у которого хотя бы одна поверхность обладает кривизной, материалом линзы является опалоподобный материал, показатель преломления которого лежит в пределах от 1,6 до 1,95, в порах материала имеется вещество с высоким пропусканием в диапазоне ТГц излучения.

Также технический результат заключается в облегчении механической обработки линз из материала на основе диоксида кремния, возможности введения дополнительных веществ в объем материала, изменяющих его свойства, в том числе оптические и механические.

Технический результат также достигается за счет того, что способ изготовления линзы для терагерцового излучения, включает получение опалоподобного материала путем осаждения и высушивания коллоидной суспензии глобул SiO_{2 равного диаметра, выбранного из диапазона от 200 до 1000 нм с отклонением значения диаметра не более 5%, отжиг при температуре от 200 до 1100°С и заполнение остаточных пор материала веществом с отличающимся показателем преломления или связующим, последующую механическую обработку.}

Применение опалоподобного материала, представляющего собой пористый SiO₂, состоящий из аморфных глобул SiO₂ диаметром от 200 до 1000 нм, уложенных и спеченных в гранецентрированной кубической решетке коллоидного кристалла позволяет, в зависимости от остаточной пористости (условий отжига) для изготовления линз для ТГц излучения, получить линзы с существенной вариативностью коэффициента преломления в ТГц диапазоне. В частности, показатели преломления пористого материала и коэффициенты поглощения на частоте 1,0 ТГц изменяются от 1,65 до 1,95 и от 10 до 1 см^-1, соответственно. Применение указанных температур отжига позволяет уменьшать пористость материала, таким образом, плавно регулируя эффективный показатель преломления среды.

Сквозная пористость исходной заготовки после высушивания, а также в изделии при отжиге при температуре от 200°С до 900°С позволяет получать оптические элементы композиционного типа, где в структуре аморфного диоксида кремния присутствует вещество с отличающимся показателем преломления, что дополнительно позволяет изменять характеристики линзы.

Изобретения иллюстрируются рисунками и примером использования.

Фиг. 1. Микрофотографии структуры оптического материала для ТГц при двух температурах спекающего отжига.

Фиг. 2. Фотографии линз из материала, полученного при двух разных температурах спекающего отжига.

Фиг. 3. Зависимости показателя преломления и поглощения материала при двух разных температурах спекающего отжига.

Пример изготовления линз для ТГц излучения.

Пример 1

Цилиндрические линзы для ТГц излучения изготавливались из опалоподобного материала, полученного следующим образом. В емкость наливали водную суспензию глобул SiO₂, диаметром 300±5 нм, полученных методом Штобера, в объемной концентрации около 10%. После седиментации получали пластины толщиной 8 мм, которые далее высушивали и подвергали отжигу в течение 24 часов при двух разных температурах: 900°С и 1200°С. В процессе спекания уложенные в ГЦК решетке коллоидного опалового кристалла глобулы подплавлялись и скреплялись, что при разных температурах отжига в диапазоне от 900°С до 1200°С привело к образованию структуры с различной пористостью от 40% до 0% соответственно, Фиг. 1. Высушивание и отжиг совместно приводили к линейной усадке заготовки, составлявшей примерно 14%. Далее из заготовок механической обработкой получали линзы одинаковой заданной формы: размеры линзы 10 мм × 18 мм, толщина по оси 6 мм и радиус кривизны цилиндрической поверхности 30 мм (Фиг. 2). Также из данных материалов были изготовлены плоскопараллельные пластинки, на которых были определены основные оптические характеристики материала: коэффициенты преломления и поглощения: показатели преломления пористого материала и коэффициенты поглощения на частоте 1,0 ТГц составили от 1,65 до 1,95 и от 10 до 1 см^-1, соответственно Фиг. 3. Расчетные фокусные расстояния линз при определенных показателях преломления составили 43 мм и 30 мм для температур отжига 900°С и 1200°С соответственно.

Пример 2

Для изготовления ТГц элемента композиционного типа пластины опалоподобного материала после высушивания подвергали отжигу при температуре 200°С в течение 24 часов. Далее проводили заполнение порового пространства заготовки полиметилметакрилатом (ПММА), для чего приготовляли раствор инициатора полимеризации 2,2'-азо-бис-изобутиронитрила (азобисизобутиронитрил, АИБН) с концентрацией 4% масс. и помещали в него заготовку. Плотно закрытый сосуд с пропитанной заготовкой, погруженной в раствор метилметакрилата, ставили в термостат и проводили блочную радикальную полимеризацию метилметакрилата при температуре 40°С с выдержкой от 3 до 5 суток. Из готового материала путем механической обработки получали линзы для терагерцового излучения.

Линзы для преобразования пучков ТГц на основе опалоподобных материалов с управляемыми электродинамическими характеристиками, а также предложенный метод их получения может быть применен для создания на их основе новых элементов "открытой" ТГц оптики (окна, светоделители, линзы и др.).

Изобретение может быть использовано в терагерцовой (ТГц) спектроскопии и в ТГц изображающих системах в биомедицине, химической и фармацевтической промышленности, в системах неразрушающего контроля и безопасности и т.п.. Линза для ТГц излучения имеет тело из материала с высоким пропусканием ТГц излучения и со структурой с периодом меньше длины волны излучения. Используется опалоподобный материал с показателем преломления от 1,6 до 1,95, в порах материала имеется вещество с высоким пропусканием в диапазоне ТГц излучения, в том числе газ. Способ изготовления линзы включает получение опалоподобного материала путем осаждения и высушивания коллоидной суспензии глобул SiO₂ равного диаметра, выбранного из диапазона от 200 до 1000 нм с отклонением значения диаметра не более 5%, спекающий отжиг при температуре от 200 до 1200°С и заполнение остаточных пор веществом с отличающимся показателем преломления или связующим. Технический результат - расширение номенклатуры ТГц элементов, увеличение вариативности возможных форм и характеристик линз, увеличении диапазона их рабочих температур. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Линза для терагерцового излучения, представляющая собой тело из материала с высоким пропусканием терагерцового излучения, материал имеет структуру с периодом меньше длины волны излучения, хотя бы одна поверхность тела обладает кривизной, отличающаяся тем, что в качестве материала используется опалоподобный материал, показатель преломления которого лежит в пределах от 1,6 до 1,95, в порах материала имеется вещество с высоким пропусканием в диапазоне ТГц излучения, в том числе газ.

2. Способ изготовления линзы для терагерцового излучения по п. 1, включающий получение опалоподобного материала путем осаждения и высушивания коллоидной суспензии глобул SiO₂ равного диаметра, выбранного из диапазона от 200 до 1000 нм с отклонением значения диаметра не более 5%, спекающий отжиг при температуре от 200 до 1200°С и заполнение остаточных пор материала веществом с отличающимся показателем преломления или связующим, последующую механическую обработку.