Способ генерации резонансных мод Ми высокого порядка в мезоразмерных полостях диэлектрического материала Российский патент 2022 года по МПК G02B1/00 B81B1/00 

Изобретение относится к способам генерации резонансных мод Ми высокого порядка в мезоразмерных полостях диэлектрического материала и может быть использовано для получения сильной локализации электромагнитных полей в области сравнимой с длиной волны, использовано в качестве элементов сенсоров, элементов нано-антенн.

Мезоразмерные сферические диэлектрические частицы с параметром размера Ми q=ka (где k, a соответственно волновое число и радиус сферической частицы) порядка 10 [Luk`yanchuk B., Paniagua-Domınguez R., Minin I.V., Minin O.V., Wang Z. Refractive index less than two: Photonic nanojets yesterday, today and tomorrow // Optical Materials Express. 2017. Vol. 7. No. 6. P. 1820 - 1847; Minin O. V., and Minin I. V. Optical Phenomena in Mesoscale Dielectric Particles // Photonics. 2021. Vol. 8. No. 12; Minin, O. V., and Minin, I. V., Optical Phenomena in Mesoscale Dielectric Particles, // Photonics, 8(12), (2021)] занимают малоисследованную нишу между наночастицами (q<1) и частицами, для которых справедлива геометрическая оптика (q~100).

Из технической литературы, например, [Luky’anchuk, B. S., Wang, Z. B., Song, W. D. & Hong, M. H. 3D-effects in dry laser cleaning. Applied Physics A 79, 747-751 (2004); Luky’anchuk, B. S., Arnold, N., Huang, S. M., Wang, Z. B. & Hong, M. H. Three-dimensional effects in dry laser cleaning. Applied Physics A 77, 209-215 (2003)] известно, что гигантское усиление напряженности поля в диэлектрических сферах определенных размеров иногда наблюдалось в виде взрыва нескольких сфер при первоначальном исследовании лазерной очистки микро/наночастиц со случайными размерами.

Диэлектрические микросферы с определенными параметрами размера могут стимулировать чрезвычайно большую напряженность поля в сингулярностях, а затем образовывать две круглые горячие точки вокруг полюсов сферы и могут поддерживать так называемые «суперрезонансные моды» [Z. B. Wang, B. Luk’yanchuk, L. Yue, B. Yan, J. Monks, R. Dhama, O. V. Minin, I. V. Minin, S. M. Huang, and A. A. Fedyanin, High order Fano resonances and giant magnetic fields in dielectric microspheres, // Scientific Reports 9, 20293 (2019); L. Yue, Z. Wang, B. Yan, J. Monks, Y. Joya, R. Dhama, O.V. Minin, and I. V. Minin, Super-Enhancement Focusing of Teflon Spheres // Ann. Phys. (Berlin) 532, 2000373 (2020); L. Yue, B. Yan, J. N. Monks, R. Dhama, C. Jiang, O. V. Minin, I. V. Minin, and Z. Wang. Full three-dimensional Poynting vector analysis of great field-intensity enhancement in a specifically sized spherical-particle. // Sci Rep 9, 20224 (2019)], что отличается от других типов резонансов [Conwell, P., Barber, P., Rushforth, C. Resonant spectra of dielectric spheres, // J. Opt. Soc. Am. A, 1(1), 62 (1984); P. Chýlek, J. D. Pendleton, and R. G. Pinnick, Internal and near-surface scattered field of a spherical particle at resonant conditions, // Appl. Opt. 24, 3940-3942 (1985); Y. Duan, G. Barbastathis, and B. Zhang, Classical imaging theory of a microlens with super-resolution, // Opt. Lett. 38, 2988-2990 (2013); S. Zhou, Y. Deng, W. Zhou, M. Yu, H. P. Urbach, Y. Wu. Effects of whispering gallery mode in microsphere super resolution imaging. // Appl. Phys. B 123, 236 (2017)] в таких частицах. Этот резонанс связан с внутренними модами Ми высокого порядка и имеет место при определенных значениях параметра размера частиц, которые могут быть непосредственно получены из строгой аналитической теории Ми [Mie, G. Beiträge zur optik trüber medien, speziell kolloidalermetallösungen, // Ann. Phys. 330, 3, 377-445 (1908).]. В отличие от диэлектрических частиц с радиусом существенно меньше длины волны излучения (в которых оптические свойства обычно обусловлены, как правило, первыми тремя резонансами Ми [A. Kuznetsov, A. Miroshnichenko, M. Brongersma, Y. Kivshar, and B. Luk‘yanchuk, Optically resonant dielectric nanostructures // Science 354, 6314, aag2472 (2016); S. Kruk and Y. Kivshar, Functional meta-optics and nanophotonics governed by Mie resonances // ACS Photonics 4, 2638 (2017); N. Bonod and Y. Kivshar. All-dielectric Mie-resonant metaphotonics // C. R. Physique, 21, (4-5), 425 (2020).]), в диэлектрических частицах c размером более длины волны и до характерных размеров, где начинает работать геометрическая оптика (мезоразмерные частицы), наблюдаются резонансы Ми высокого (≥5) порядка, что приводит к специфическим оптическим явлениям, обусловленным интерференцией широкого спектра всех внутренних мод с одиночной модой внутреннего резонанса высокого порядка.

При этом рассматривались сферические диэлектрические частицы, выполненные из материалов с показателем преломления около 1,5, характерного для диэлектриков в оптическом и ТГц диапазонах и расположенных в среде с показателем преломления равным 1.

Известен способ модуляции света, включающий использование субволнового гибридного двумерного массива Ми-резонансных наноструктур из слабопоглощающего материала (k в диапазоне 0,00001…0,01) с высоким показателем преломления (n в диапазоне 2…5) [Патент РФ 2703487, устройство и способ модуляции поляризации света с помощь магнитофотонных метаповерхностей]. При этом могут быть использованы частицы, имеющие различную форму поверхности (включая, но не ограничивая): дисков, сфер, цилиндров, параллелепипедов и кубоидов, а также кластеров таких частиц. Возможность управлять светом на наномасштабах с помощью таких систем обусловлена сильной локализацией в них электромагнитного поля за счет возбуждения резонансов Ми. Известный способ генерации резонансных мод Ми заключается в размещении субволновой диэлектрической сферы в прозрачной для излучения среде с показателем преломления превышающим показатель преломления материала окружающей среды и облучаемой электромагнитной волной. Показатель преломления материала частицы превышает показатель окружающей среды (воздуха n=1) в 2 - 5 раз.

Известен способ определения примесей в газовоздушных средах и устройство для его реализации [Патент РФ 2751449, оптический сенсор для определения наличия примесей в газовоздушных средах]. Известный способ генерации резонансных мод Ми заключается в размещении субволновой диэлектрической сферы в прозрачной для излучения среде с показателем преломления превышающим показатель преломления материала окружающей среды и облучаемой электромагнитной волной.

Принцип действия оптического сенсора основан на использовании резонансных наноструктур (с характерным размером от 250 нм до 500 нм) в области ближнего инфракрасного диапазона. Чувствительный элемент представляет собой дискретный волновод в виде цепочки Ми-резонансных субволновых наночастиц, расположенных на субволновом расстоянии друг от друга. При этом Ми-резонансные субволновые наночастицы выполнены из оптически прозрачного диэлектрического материала с коэффициентом преломления n₂, где n₂>n₁ и n₁ показатель преломления диэлектрического материала подложки, на котором расположен чувствительный элемент. Например, подложка может быть выполнена из диэлектрика с показателем преломления n₁ = 1,32 - 1,75, а чувствительный элемент, элементы ввода и вывода излучения размещены на одной оси и выполнены из диэлектрика с показателем преломления n₂ = 2,38 - 4,25. Наночастицы могут иметь различную форму, например, быть в виде сфер, дисков, параллелепипедов, цилиндров, кубов. При возбуждении Ми-резонанса в наночастице происходит усиление локального поля как внутри, так и снаружи частицы. Условия распространения волны по цепочке наночастиц за счёт сконцентрированного локального поля снаружи от частиц будут зависеть от показателя преломления окружающей такую цепочку среды. Показатель преломления материала частицы превышает показатель окружающей среды в 2,38 - 4,25 раз.

Из технической литературы известны способ и устройства генерации резонанса в СВЧ диапазоне при использовании сфер изготовленных из материала с показателем преломления более 10, при этом сферы располагались в среде с показателем преломления равным 1 [B. Luk`yanchuk, L. M. Vasilyak, V. Ya. Pecherkin, S. P. Vetchinin, V. E. Fortov, Z. B. Wang, R. Paniagua Domínguez & A. A. Fedyanin. Colossal magnetic fields in high refractive index materials at microwave frequencies // Scientific Reports (2021) 11:23453, https://doi.org/10.1038/s41598-021-01644-1]. Известный способ генерации резонансных мод Ми заключается в размещении субволновой диэлектрической сферы в прозрачной для излучения среде с показателем преломления превышающим показатель преломления материала окружающей среды и облучаемой электромагнитной волной.

Показатель преломления материала частицы превышает показатель окружающей среды более чем в 10 раз.

Все известные способы генерации резонанса Ми в диэлектрических частицах обладают тем недостатком, что диэлектрические частицы с высоким показателем преломления обладают значительными потерями на рассеивание и поглощение излучения в материале частицы, а также дороговизна конструкционного материала, поскольку для создания необходимы диэлектрики с высоким показателем преломления. Собственные потери в материале диэлектрика затрудняют или даже препятствуют наблюдению резонансных мод.

В качестве прототипа выбран способ генерации резонанса в мезоразмерной сфере с малым показателем преломления, заключающийся в размещении мезоразмерной диэлектрической сферы в прозрачной для излучения среде с показателем преломления превышающим показатель преломления материала окружающей среды более 1,3 раза и облучаемой плоской линейно поляризованной электромагнитной волной [И.В. Минин, Сонг Жоу (Song Zhou), О.В. Минин. Эффект суперрезонанса в мезоразмерной сфере с малым коэффициентом преломления // Письма в ЖЭТФ, 2022, т. 116, № 3, с. 146-150].

Недостатком известного способа является использование в качестве материала мезоразмерной диэлектрической сферы диэлектрика с показателем преломления более показателя преломления окружающей среды, приводящий к значительными потерями на рассеивание и поглощение излучения в материале частицы, а также дороговизна конструкционного материала, поскольку для создания необходимы диэлектрики с высоким показателем преломления.

Задачей заявляемого технического решения является разработка способа генерации резонансных мод Ми высокого порядка в мезоразмерных полостях диэлектрического материала с показателем преломления менее показателя преломления материала окружающей среды.

Это достигается тем, что применяемый способ генерации резонансных мод Ми высокого порядка в мезоразмерных диэлектрических частицах, заключающийся в размещении мезоразмерной диэлектрической частицы в прозрачной для излучения среде, с показателем преломления материала частицы превышающим показатель преломления материала окружающей среды и облучаемой плоской линейно поляризованной электромагнитной волной новым является то, что частица выполняется в виде замкнутой полости, показатель преломления материала, заполняющего полость по сравнению с показателем преломления материала окружающей среды, выбирают менее 1,3 раза. Кроме того, полости формируют непосредственно на освещенной границе материала окружающей среды. Кроме того, полость заполняется газом. Кроме того, полость заполняется полимерным материалом. Кроме того, полость заполняется композиционным материалом.

Сущность заявляемого способа поясняется на примере устройства, реализующего этот способ.

Функциональная схема этого устройства на примере с одиночной сферической полостью, представлена на Фиг. 1.

На Фиг. 2 показано размещение различных по форме полостей внутри диэлектрика окружающей среды на примере полости со сферической формой, усеченной сферической формой, кругового конуса, цилиндра, кубоида и т.д.

На Фиг. 3 показано размещение различных по форме полостей, сформированных непосредственно на освещенной границе диэлектрика окружающей среды на примере полостей со сферической формой, усеченной сферической формой, кругового конуса, цилиндра, кубоида и т.д.

Обозначения: 1 - источник монохроматического излучения (лазер, мазер, лампа обратной волны и т.п.), 2 - сформированная плоская линейно поляризованная электромагнитная волна, 3 - сферическая диэлектрическая мезоразмерная частица в форме полости с показателем преломления менее показателя преломления окружающей среды 4, полостей с усеченной сферической формой 5, полость в форме кругового конуса 6, полость в виде цилиндра 7, полость в виде кубоида 8, приемник электромагнитного диапазона длин волн - 9.

Работа устройства происходит следующим образом. В качестве источника монохроматического когерентного электромагнитного излучения 1 может выступать, например, перестраиваемый лазер в видимом и ИК диапазоне [Е. Гулевич, Н. Кондратюк, А. Протасеня. Перестраиваемые источники лазерного излучения УФ, видимого, ближнего и среднего ИК диапазона // Фотоника 3/2007, с.30-33], перестраиваемые источники терагерцового и СВЧ излучения: лампа обратной волны, оротрон, генератор дифракционного излучения, диоды Ганна и т. д. [Gunn J.B. Microwave oscillation of current in III IV semiconductors. // Solid State Commun. 1963, Vol. 1, pp. 88-91; Братман В.л. и др. Разработка вакуумных приборов терагерцового диапазона // Сб. трудов Первого рабочего совещания «Генерация и применение терагерцового излучения», Новосибирск, 24-25 ноября 2005 г., Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера, 2006 - 11-20 с.; Goutam Chattopadhyay. Technology, capabilities, and performance of low power teraherz sources // IEEE Trans. On Terahertz science and technology, 2011, vol. 1, N 1, p.33-53].

Среди твердотельных источников перестраиваемого лазерного излучения главенствующие позиции до недавнего времени занимали лазеры на красителях в полимерных матрицах и на активированных кристаллах (Al₂O₃:Ti³⁺, александрит, форстерит, YAG:Cr⁴⁺). Диапазон рабочих длин волн, обеспечиваемых этими лазерами, располагается в пределах от 550 до 1500 нм, а каждая активная среда в отдельности способна генерировать в сравнительно узкой спектральной области шириной от 20 до 300 нм. Параметрические генераторы света видимого и ближнего ИК диапазона, перекрывают практически весь спектральный диапазон длин волн от 200 нм до 20 мкм.

Электромагнитное излучение, сформированное источником 1 в виде освещающей линейно поляризованной электромагнитной волны с плоским волновым фронтом 2, облучает прозрачную диэлектрическую среду 3 в которой расположена частица в виде замкнутой полости, например, сферической формы 4, усеченной сферической формы 5, в форме кругового конуса 6, в виде цилиндра 7, в виде кубоида 8 или иной формы. Так же полости 4-8 и иной формы могут быть сформированы на освещенной границе диэлектрического материала 3 с окружающей средой. При этом показатель преломления диэлектрического материала 3, в котором сформирована полость 4-8, выше показателя преломления материала полости 4-8. При меньшем значении показателя преломления материала 3, в котором сформирована полость 4-8 менее, чем примерно в 1,3 раза показателя преломления материала полости уменьшается коэффициент отражения излучения от границы диэлектрической среды - материал заполняющий полость 4-8 и моды Ми устойчиво не формируются.

При облучении полостей с формой 4-8 или иной формой поверхности электромагнитным излучением 2 с в ней могут сформироваться резонансные моды Ми высокого порядка, которые могут быть зарегистрированы приемником электромагнитного излучения 9.

В качестве приемника электромагнитного излучения 9 в оптическом диапазоне длин волн могут быть использованы, например, фотодиоды, а в терагерцовом и СВЧ диапазонах диоды Шоттки, болометры, пироприемники [Кубарев В.В. Детекторы терагерцового излучения // Сб. трудов Первого рабочего совещания «Генерация и применение терагерцового излучения», Новосибирск, 24-25 ноября 2005 г., Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера, 2006 - 35-40 с.; Техника субмиллиметровых волн. Колл. авторов под ред. Р.А. Валитова - М.: Советское радио, 1969, 480 с.].

Из технической литературы известно, что формирование и удержание мод Ми в диэлектриках с высоким индексом происходит из-за конечного коэффициента отражения излучения на границе раздела материала с высоким индексом и воздуха.

Однако в результате проведенных исследований оказалось, что в случае полости заполненной газом с показателем преломления близким к 1 или прозрачным диэлектриком с показателем преломления менее показателя преломления окружающей среды возникают локализованные оптические моды, которые ограничены характерным размером полости в силу конечного коэффициента отражения на разрыве материала, что не противоречит теории Ми [Mie, G. Beiträge zur optik trüber medien, speziell kolloidalermetallösungen, // Ann. Phys. 330, 3, 377-445 (1908).].

Согласно принципу Бабине [Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1970] следует, что дифракционная картина от непрозрачного тела идентична дифракционной картине от отверстия того же размера и формы, за исключением общей интенсивности прямого луча. Дифракционные картины от отверстий или тел известного размера и формы сравниваются с картиной от измеряемого объекта. Для диэлектриков с высоким показателем преломления, отражение и рассеяние излучения от границы диэлектрик - материал с низким показателем преломления, приближается к случаю отражения и рассеяния излучения от границы металл-материал с низким показателем преломления.

Рассеяние излучения в полости так же минимально, так как минимален показатель преломления материала, заполняющего полость. При этом экономится дорогой конструкционный материал с высоким показателем преломления. Кроме того, на формирование мод Ми в полости не влияет дисперсия материала, заполняющего полость. Так в газах дисперсия показателя преломления много меньше, чем в твердых диэлектрических материалах.

Характерный размер полостей находится в мезоразмерной области, а характерный размер резонансных частиц выполненных из материала с высоким показателем преломления находится в нанометровой области, при условии, что сравнение происходит на одной и той же резонансной длине волны мод и в одном и том же спектральном диапазоне. Мезоразмерный размер полости обусловлен большой разницей показателей преломления диэлектрика (фторопласт, кремний, германий и т.п.) с показателем преломления более 1,5 и газом, например, воздухом с показателем преломления порядка 1.

Было обнаружено, что при замене диэлектрической резонансной частицы на полость происходит перестройка энергетического порядка мод. Так, например, основной собственной модой диэлектрической сферы является магнитная дипольная мода, тогда как в случае сферической полости это электрическая дипольная мода.

Кроме того, формирование мод Ми в полостях имеет преимущество по сравнению с прототипом, заключающееся в меньших требованиях к соблюдению точной формы полости. Это обусловлено большой разницей показателей преломления диэлектрика (фторопласт, кремний, германий и т.п.) и газом, например, воздухом.

В результате исследований было установлено, что мезоразмерная полость в диэлектрическом материале обладает оптически-индуцированными резонансами Ми-типа в видимом и СВЧ диапазонах, за счет локализации внутри структуры электромагнитных полей и способна многократно усиливать электрические и магнитные поля. Длина волны резонансного возбуждения структуры определяется размерами полости, ее показателем преломления и формой полости, показателем преломления диэлектрического материала в котором она расположена.

Из уровня техники известны способы создания внутри прозрачного для излучения диэлектрического материала полостей различной формы, например, методами лазерной литографии, включая 3D литографию или ионного сфокусированного пучка [Maria Farsari, Boris N. Chichkov. Materials processing: Two-photon fabrication // Nature photonics - 2009 -vol. 3, N 8, p. 450; И.И. Шишкин, К.Б. Самусуев, М.В. Рыбин и др. Стеклообразная наноструктура, изготовленная методом лазерной нанолитографии // ФТТ - 2012 - Vol. 54 - pp. 1852-1857; И.И. Шишкин, К.Б. Самусуев, М.В. Рыбин и др. Изготовление субмикронных структур методом трехмерной лазерной литографии // Письма в ЖТФ - 2014 - vol. 99 - pp. 614-617; А.А. Евстрапов, И.С. Мухин, И.В. Кухтевич, А.С. Букатин Метод сфокусированного ионного пучка при формировании наноразмерных структур в микрофлюидных чипах // Письма в ЖТФ, 2011, том 37, вып. 20, с. 32-40.].

Известен способ изменения структуры материала путем концентрации лучистой энергии в определенной точке объема при последовательном перемещении материала по заданной траектории (А.С. СССР 321422).

Известен способ изготовления декоративного изделия с рисунком внутри объема, например, органического стекла (А.С. СССР 694399, 891489), заключающийся в обрабатывании заготовки из прозрачного диэлектрика пучком ускоренных электронов до момента разряда образующегося в диэлектрике объемного заряда термализованных электронов.

Способ изготовления полости в диэлектрическом материале зависит, главным образом, от целевых геометрических параметров устройства генерации резонансных мод Ми высокого порядка, определяемых в зависимости от диапазона рабочих частот.

Из технической литературы известно, что показатель преломления газов близок к 1, например, на длине волны 589 нм воздух имеет показатель преломления 1,000293, двуокись углерода - 1,00045, гелий - 1,000036, водород - 1,000132 [Борисенко С. И., Ревинская О. Г., Кравченко Н. С., Чернов А. В. Показатель преломления света и методы его экспериментального определения. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2014. - 142 с.].

В качестве материалов заполняющих полость и материалов в которых сформирована эта полость, при сохранении необходимого контраста коэффициента преломления могут использоваться в оптическом, терагерцовом и СВЧ диапазонах, например, различные оптические материалы, например, кварцевое стекло марок КУ-1, КУ-2, КВ, КИ, оптические цветные стекла, полимерные оптические материалы, например, марок СО-95, СО-120, ТСТ-1, Т2-66, Д, АМ-4, МС, СН-25, НБ, дифлон, оптическая керамика, например, КО-1, КО-2, КО-3, КО-12, стекла кристаллических материалов, например, ФЛ-У, ФБ-У, ФМ-У, АИК-У, стеклокристаллические материалы, например, оптические ситаллы, инфракрасные оптические стекла ИКС-23, ИКС -24, ИКС-28, ИКС- 34, ИКС-33 [Зверев В.А., Е.В. Кривопустова, Т.В. Точилина. Оптические материалы. Часть 2. Учебное пособие для конструкторов оптических систем и приборов. - СПб: СПб НИУ ИТМО, 2013 - 248 с.], стекла прозрачные для электромагнитного диапазона СВЧ диапазона [М.В. Дяденко, В.Н. Родионава, В.А. Карпович, А.Г. Петуовская. Стекла, прозрачные для электромагнитного СВЧ-диапазона // Труды БГТУ, 2017, серия 2, № 2, с. 132-138], композиционные диэлектрические материалы [Патент РФ 2307432, Patent US 6489928, Чигряй Е.Е., Никитин И.П. Свойства композита полистиролрутил на миллиметровых волнах // Журнал Радиоэлектроники, N 9, 2018, с. 1-9], в терагецовом диапазоне длин волн могут использоваться кремний, самфир, кварц, алмаз, германий, карбит кремния, полиметилпентен, полиэтилен, фторопласт [В.Е. Зщгалин, И.А. Кплунов, Г.И. Кропотов. Оптические материалы для THz диапазона // Оптика и спектроскопия, 2018, т. 125, вып. 6, с. 851-863], керамика и полимерные материалы в терагерцовом диапазоне длин волн, например, керамики BN, SiO₂, SrTiO₃, Al₂O₃, полимеры тефлон, полистирол, полиэтилен, полипропилен, органическое стекло [V.V. Meriakri, E.E. Chigryai, I.P. Nikitin. Dielectic properties of some practical-use material in the low-freuency part of the terahertz band // CAOL, 2013, Int. Conf. on Advanced Optoelectronics & Laser, 9-13 Sept., Sudak, Ukraine], керамические материалы в миллиметровом диапазоне длин волн, например, Керамика В20 в диапазоне от 100 до 170 ГГц имеет показатель преломления 4,58. Исследование диэлектрических свойств керамических материалов марок МСТ-7,3, МСТ-10, ТК-20, ТК-40, ЛК-2,5, ЛК-3, СТ-3, СТ-4, СТ-10, ВК-100М в диапазоне частот от 50 ГГц до 200 ГГц, показало, что они пригодны для применения в миллиметровом диапазоне длин волн. Показатель преломления большинства образцов не зависит от частоты в исследуемом диапазоне, либо имеет слабую линейную зависимость. Для МСТ-7,25 в диапазоне (80-200 ГГц) показатель преломления n=2,658±0,001, n(9,4 ГГц) = 2,72, для МСТ-10: n(55-200 ГГц)=3,1855±0,001, n(9,4 ГГц) = 3,225, для ТК-20: показатель преломления возрастает практически линейно от n(9,4 ГГц) = 4,404 до n(200 ГГц) = 4,416. Для ТК-40: n(60-200 ГГц) = 6,255±0,001, n(6 ГГц) = 6,316, для пено-керамик ЛК-2,5: показатель преломления возрастает практически линейно от n(9,4 ГГц) = 1,58 до n(170 ГГц) = 1,61, для ЛК-3: величина показателя преломления меняется практически линейно от n(9,4 ГГц) =1,73 до n(192 ГГц) =1,77. Тангенс угла потерь для таких материалов порядка 10^-3. СТ-4 в диапазоне 50-200 ГГц n=1,995, для СТ-10 3,194, ВК-100М 3,165 (тангенс угла потерь 10^-4) [Паршин В.В, Серов Е.А, Ершова П.В. Исследование диэлектрических свойств современных керамических материалов в миллиметровом диапазоне // Электроника и микроэлектроника СВЧ, том 1, 2017, с. 418-422], в работе [M.T. Sebastian. Dielectric materials for wireless communication/ Elsevier, 2008] приведено свыше 2000 доступных материалов с малыми потерями и показателями преломления от 2 до 29 в СВЧ диапазоне.

Пример 1. Для оптического диапазона частот может быть использована диэлектрическая среда из такого материала, как кремний или арсенид галлия, которые имеют показатель преломления близкий, например, к 4. В диэлектрической среде сформированы полости микронного диаметра методами лазерной литографии, ионного сфокусированного пучка или иным известным способом. Для определения геометрических параметров полости выбирается целевое значение рабочей частоты. Например, для частоты 150 ТГц (λ ≈ 2 мкм) подбираются размеры, например, цилиндрической полости или сферической полости с диаметром полости примерно равного порядка 5 мкм. В качестве материала полости может использоваться воздух с показателем преломления порядка 1 или иной материал с показателем преломления менее 3, например, фторопласт, полистирол, полиэтилен с показателями преломления порядка 1,5.

Пример 2. Сформирована замкнутая сферическая полость диаметром порядка 600 нм, что соответствует резонансной длине волны порядка 275 нм в кремнии с показателем преломления порядка 4. Сферическая полость заполнена воздухом с показателем преломления порядка 1. В данной полости наблюдались основные резонансы Ми (электрические и магнитные дипольные, а также квадрупольные и моды более высокого порядка). Для получения резонанса мод Ми высокого порядка в мезоразмерных полостях диэлектрического материала в микроволновом диапазоне частот, можно использовать материалы прозрачные для излучения в том диапазоне, например, с большими значениями диэлектрической проницаемости, такие как керамики, кремний с показателями преломления более 3 и т.д. Для получения резонанса мод Ми высокого порядка в мезоразмерных полостях диэлектрического материала в более низком высокочастотном диапазоне частот необходимо пропорционально увеличить его размеры.

Пример 3. Сформирована цилиндрическая полость на освещенной границе диэлектрика с высоким показателем преломления. Полость заполнена воздухом с показателем преломления порядка 1, диэлектрик среды - кремний с показателем преломления порядка 4. Диаметр цилиндрической полости порядка 800 нм, его глубина порядка 420 нм. Наблюдались электрические и магнитные дипольные моды, а также квадрупольные и моды более высокого порядка на резонансных длинах волн порядка 450 нм и 700 нм.

Таким образом, установлено, что замкнутые полости сформированные внутри диэлектрических материалах с высоким показателем преломления и полости на границе освещенной поверхности диэлектрика, поддерживают локализованные резонансные моды Ми высокого порядка исключительными оптическими свойствами. Благодаря удержанию в материале полости с показателем преломления порядка 1 моды не имеют потерь излучения в материале заполняющем полость и рассеивания.

Изобретение относится к области оптики и касается способа генерации резонансных мод Ми высокого порядка в мезоразмерных диэлектрических частицах. Способ заключается в размещении мезоразмерной диэлектрической частицы в прозрачной для излучения среде, с показателем преломления материала частицы, превышающим показатель преломления материала окружающей среды, и облучаемой плоской линейно-поляризованной электромагнитной волной. Частица выполняется в виде замкнутой полости, показатель преломления материала, заполняющего полость, по сравнению с показателем преломления материала окружающей среды выбирают менее 1,3 раза. Технический результат заключается в уменьшении потерь излучения в материале при генерации резонансных мод. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ генерации резонансных мод Ми высокого порядка в мезоразмерных диэлектрических частицах, заключающийся в размещении мезоразмерной диэлектрической частицы в прозрачной для излучения среде, с показателем преломления материала частицы, превышающим показатель преломления материала окружающей среды, и облучаемой плоской линейно-поляризованной электромагнитной волной, отличающийся тем, что частица выполняется в виде замкнутой полости, показатель преломления материала, заполняющего полость, по сравнению с показателем преломления материала окружающей среды выбирают менее 1,3 раза.

2. Способ генерации резонансных мод Ми высокого порядка в мезоразмерных диэлектрических частицах по п. 1, отличающийся тем, что полости формируют непосредственно на освещенной границе материала окружающей среды.

3. Способ генерации резонансных мод Ми высокого порядка в мезоразмерных диэлектрических частицах по п. 1, отличающийся тем, что полость заполняется газом.

4. Способ генерации резонансных мод Ми высокого порядка в мезоразмерных диэлектрических частицах по п. 1, отличающийся тем, что полость заполняется полимерным материалом.

5. Способ генерации резонансных мод Ми высокого порядка в мезоразмерных диэлектрических частицах по п. 1, отличающий тем, что полость заполняется композиционным материалом.