ВОЛНОВОДНЫЙ СВЧ ЗОНД Российский патент 2023 года по МПК G01Q60/18 G01Q70/10 

Изобретение относится к области ближнепольной микроскопии в терагерцовом и СВЧ диапазонах и может быть использовано при неразрушающем контроле, исследовании микрорельефа отражающих поверхностей.

В настоящее время получили развитие ближнепольные микроскопы, работающие в различных частотных диапазонах [Bjorn T. Rosner, Daniel W. van der Weide. High-frequency near-field microscopy // Review of Scientific Instruments, v. 73, N 7, July 2002, рр. 2505-2525], в микроволновом [Ash, E.A Super-resolution aperture scanning microscope / EA. Ash and G. Nicholls // Nature. - 1972/ - v/ 237/ - №5357/ - p. 510-512], терагерцовом [Hunsche S., M. Koch, I Brener, MC. Nuss / THz near-field imaging / Optics Comm. 1998. - v. 150. - №1-6 - р. 22-26; Трухин В.Н., А.В. Андрианов, В.А. Быков, А.О. Голубок, Н.Н. Зиновьев, Л.Л. Самойлов, И.Д. Сапожников, А.В. Трухин, М.Л. Фельштын. Взаимодействие терагерцового электромагнитного излучения с системой зонд-объект в терагерцовом ближнепольном микроскопе / Письма в ЖЭТФ. - 2011. - т. 93. - с. 134-138] диапазонах длин волн.

Известен зонд ближнепольного микроскопа, представляющий заостренный отрезок оптоволокна [Миронов В.Л. Основы сканирующий зондовой микроскопии, Нижний Новгород, 2004, стр. 106; Патент РФ № 2663266 Зонд ближнепольного микроскопа] или сужающегося к концу СВЧ волновода [Nozokido, T., Bae, J., & Mizuno, K. (2001). Scanning near-field millimeter-wave microscopy using a metal slit as a scanning probe // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 49(3), 491-499].

Недостатком известного зонда является его сложность и малая разрешающая способность. Повышение локализации электромагнитных волн, распространяющихся по диэлектрическому волноводу (оптоволокну) металлического волновода, производится сужением поперечных размеров. Однако сужение размеров диэлектрического волновода до размеров соразмеримых и меньших длины электромагнитной волны приводит к потерям электромагнитного излучения за счет обратного отражения, а также излучающихся в окружающее пространство электромагнитных волн.

Известен зонд ближнепольного микроволнового микроскопа, представляющий заостренный металлический отрезок малого диаметра [Roman Kantor and I.V. Shvets. Measurement of Electric-Field Intensities Using Scanning Near-Field Microwave Microscopy // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, V. 51, N. 11, November 2003, p. 2228-2234; Chen Gao, Bo Hu, I Takeuchi, Kao-Shuo Chang, Xiao-Dong Xiang and Gang Wang. Quantitative scanning evanescent microwave microscopy and its applications in characterization of functional materials libraries // Measurement Science and Technology, 6 (2005) 248-260].

Недостатком известного зонда является его низкая эффективность.

Известен зонд основанный на прохождении электромагнитной волны через субволновую апертуру в непрозрачном экране [Патент РФ 2312381 Оптические волокна, снабженные линзами путем фотополимеризации и оптические компоненты; Bethe H. Theory of Diffraction by Small Holes // Phys. Rev. 1944. Vol. 66, No 7-8. P. 163-182; Ash E.A., Nicholls G. Super-resolution Aperture Scanning Microdcope // Nature. - 1972. - V. 237. - P. 510-512; Mitrofanov O., Lee M., Hsu J.W.P., Brener I., Harel R., Federici J.F., Wynn J.D., Pfeiffer L.N., West K.W. Collection-mode near-field imaging with 0,5-THz pulses // IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. - 2001. - V. 7. - No 4. - P. 600-607.]. Это микроскопическое отверстие остается способным излучать или принимать свет в экспериментах по оптической микроскопии в ближнем оптическом поле.

Недостатком известного зонда является его низкий коэффициент пропускания.

Известен квазиоптический зонд для ближнепольного микроскопа, включающий источник электромагнитного излучения, приемник электромагнитного излучения, устройство канализации электромагнитного излучения, линзу, при этом выполнена в виде мезоразмерной частицы, диаметром примерно не менее λ и не более 5λ, где λ - длина волны электромагнитного излучения, показателем преломления материала мезоразмерной частицы не более 2, а по оптической оси мезоразмерной частицы на ее теневой стороне выполнен канал постоянного сечения с характерным поперечным размером не более d_z=0,15λ [Патент РФ 191646].

Недостатком известного зонда является его сложность, необходимость использования облучающей мезоразмерную частицу волны с плоским фронтом. Кроме того, зонд имеет большие продольные габариты и высокие потери излучения из-за отражения его на границе окружающая среда-материал линзы.

Впервые прямое наблюдение «фотонной» струи в СВЧ диапазоне было приведено в работе [A. Heifetz, K. Huang, A. V. Sahakian, X. Li, A. Taflove, and V. Backman, Experimental confirmation of backscattering enhancement induced by a photonic jet // Appl. Phys. Lett. 89, 221118 (2006).]. СВЧ зонд состоял из источника СВЧ излучения и облучаемой плоской волной мезоразмерной диэлектрической сферы. На частоте излучения электромагнитной волны равной 30 ГГц при освещении акриловой сферы (N=1,6), где N - показатель преломления материала, была сформирована «фотонная» струя. В область «фотонной» струи вносились мелкие частички металла, при этом наблюдалось значительное усиленное обратное рассеяния. Позже аналогичные эксперименты продемонстрировали надежное обнаружение глубоких субволновых ям с использованием этого усиленного эффекта обратного рассеяния также на частоте 30 ГГц [S. C. Kong, A. V. Sahakian, A. Heifetz, A. Taflove, and V. Backman, Robust detection of deeply subwavelength pits in simulated optical data-storage disks using photonic jets // Applied Physics Letters, vol. 92, May 20086].

Фотонная струя это область фокусировки излучения, возникающая непосредственно на теневой поверхности диэлектрической мезоразмерной частицы, обеспечивающая пространственное разрешение порядка λ/3-λ/4, где λ - длина волны используемого излучения и протяженностью несколько длин волн.

В СВЧ диапазоне экспериментальное наблюдение «фотонных» струй, формируемых диэлектрическом цилиндром из фторопласта на частоте 10 ГГц, было проведено в работе [L. Zhao and C. K. Ong, Direct observation of photonic jets and corresponding backscattering enhancement at microwave frequencies // Journal of Applied Physics, vol. 105, Jun 2009]. СВЧ зонд состоял из источника СВЧ излучения и облучаемой плоской волной мезоразмерного диэлектрического цилиндра. Было предложено использование эффекта фотонной струи для обнаружения и визуализации субволновых объектов с характерным размером менее 0,01 диаметра цилиндра.

По аналогии с микросферическим оптическим наноскопом предложен и разработан простой и недорогой метод терагерцовой визуализации для улучшения пространственного разрешения за пределами дифракционного предела. ТГц-микроскоп с диэлектрической сферой из фторопласта диаметром от 2 до 4 мм, формирует «фотонную» струю, обеспечивающую пространственное разрешение порядка λ/3, где λ - длина волны используемого излучения [Qingshan Qu,Hailing Liu, Di Zhu, Menghan Yang, Bin Cui, Shuai Feng, Yuping Yang. Terajet effect of dielectric sphere and THz imaging // Proceedings Volume 10826, Infrared, Millimeter-Wave, and Terahertz Technologies V; 1082606 (2018) https://doi.org/10.1117/12.2500909].

Принцип построения диэлектрических мезоразмерных частиц произвольной трехмерной формы для формирования фотонных струй с поперечным размером каустики порядка трети длины волны и длиной от 0 до 10 длин волн известен из технической литературы [И.В. Минин, О.В. Минин. Фотоника изолированных диэлектрических частиц произвольной трехмерной формы - новое направление оптических информационных технологий // выпуск "Вестник НГУ. Серия: Информационные технологии". Т. 12, вып. 4. 2014, с. 59-70, http://www.nsu.ru/xmlui/handle/nsu/7717: I.V. Minin and O.V. Minin. Diffractive optics and nanophotonics: Resolution below the diffraction limit, Springer, 2016 http://www.springer.com/us/book/9783319242514#aboutBook]. Фотонная струя формировалась при облучении мезоразмерных диэлектрических частиц волной с плоским фронтом.

Известен волноводный излучатель по патенту РФ 174536, состоящий из тонкостенного металлического волновода с открытым торцом, при этом к открытому торцу концу волновода присоединена своим плоским основанием диэлектрическая мезоразмерная частица, например, в форме кубоида, с характерными размерами порядка длины волны излучения в свободном пространстве, и выполненная из материала с коэффициентом преломления, выбираемым в диапазоне от 1,2 до 1,7.

Достоинством устройства является повышение коэффициента усиления излучателя в дальней зоне.

Недостатком данного устройства является ненадежность крепления диэлектрической частицы к открытому концу волновода, несогласованность металлического волновода с диэлектрической частицей и негерметичность волноводного тракта.

Известен волноводный детектор миллиметрового диапазона длин волн по патенту РФ 169302, состоящий из прямоугольного волновода с короткозамыкателем на одном из его торцевых концов и расположенного внутри волновода перпендикулярно к широким стенкам детекторного СВЧ-диода. На конце волновода, противоположного короткозамыкателю, установлена диэлектрическая частица, формирующая фотонную струю при падении на нее электромагнитного излучения и облучающая СВЧ-диод.

Недостатком данного устройства является ненадежность крепления диэлектрической частицы к открытому концу волновода, несогласованность металлического волновода с диэлектрической частицей, негерметичность волноводного тракта.

Наиболее близкий к данному изобретению волноводный СВЧ зонд, принятый за прототип, описан в работе [В.И. Матвеев. Из истории развития неразрушающего контроля. // Контроль. Диагностика. - 2005, №2, с. 71-76.]. Волноводный СВЧ зонд включает в себя источник электромагнитного излучения, приемник электромагнитного излучения, устройство канализации электромагнитного излучения в виде стандартного тонкостенного металлического волновода с открытым концом. Волноводный СВЧ зонд обеспечивал пространственное разрешение 0,8λ, где λ - длина волны излучения.

Достоинством СВЧ зонда является его простота.

Недостатком известного зонда является малая разрешающая способность, негерметичность волноводного тракта.

Задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков, а именно повышение разрешающей способности волноводного СВЧ зонда, при сохранении его энергетической эффективности и обеспечение герметичности волноводного тракта.

Поставленная задача достигается тем, что в волноводном СВЧ зонде, состоящем из источника электромагнитного излучения, приемника электромагнитного излучения, устройства канализации электромагнитного излучения в виде стандартного тонкостенного металлического волновода с открытым концом, новым является то, что на открытом торце волновода размещена мезоразмерная кубоидная диэлектрическая частица с характерными размерами порядка длины волны излучения в свободном пространстве, и выполненная из материала с коэффициентом преломления, выбираемым в диапазоне от 1,2 до 1,9, а на плоском основании диэлектрической частицы, обращенного к открытому концу волновода расположено согласующее устройство, которое непосредственно расположено внутри волновода.

Кроме того, согласующее устройство выполнено в виде равнобедренной треугольной выемки в диэлектрическом материале находящимся в волноводе, направленной вершиной выемки к мезоразмерной диэлектрической частице и расположенным вдоль широкой стенки волновода.

Кроме того, согласующее устройство выполнено в виде четырехугольной пирамиды, ее вершиной проецируемой в центр ее основания и основанием пирамиды сопряженным с основанием диэлектрической частицы.

На Фиг. 1. Приведена схема волноводного СВЧ зонда

На Фиг. 2. Показана субволновая область фокусировки, формируемой волноводным СВЧ зондом, как аналога «фотонной» струи воль широкой стенки волновода (А) и узкой стенки (Б).

На Фиг. 3. Приведена схема волноводного СВЧ зонда с согласующим диэлектрическим устройством в виде равнобедренной треугольной выемки в диэлектрическом материале находящимся в волноводе, направленной вершиной выемки к мезоразмерной диэлектрической частице и расположенным вдоль широкой стенки волновода.

На Фиг. 4. Приведена схема волноводного СВЧ зонда с согласующим диэлектрическим устройством в виде четырехугольной пирамиды, ее вершиной проецируемой в центр ее основания и основанием пирамиды сопряженным с основанием диэлектрической частицы.

На Фиг. 5. Показаны результаты математического моделирования области фокусировки электромагнитного излучения как аналога «фотонной» струи волноводным СВЧ зондом в случае без согласующего устройства (а), с согласующим устройством в виде пирамиды (б), с согласующим устройством в виде треугольной выемки в диэлектрике, расположенном в волноводе (в). Протяженность области фокусировки составляет порядка (1-1,5) длины волны излучения.

Обозначения: 1 - электромагнитное излучение, 2 - тонкостенный металлический прямоугольный волновод, 3 - диэлектрическое согласующее устройство, 4 - мезоразмерная диэлектрическая частицы, 5 - область фокусировки, аналогичная «фотонной» струи, 6 - согласующее устройство в виде треугольной выемки в диэлектрике, расположенном в волноводе 2, 7 - согласующее устройство в виде пирамиды.

В результате проведенных исследований, было установлено, что при облучении диэлектрических мезоразмерных частичек с характерным размером не менее λ, где λ - длина волны используемого излучения, с коэффициентом преломления материала лежащего в диапазоне от 1,2 до 1,9, происходит формирование на ее теневой поверхности с противоположной стороны от падающего излучения области с повышенной интенсивностью излучения и с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4. При этом диэлектрические частицы могут иметь различную форму поверхности: шар, цилиндр, диск, кубоид, пирамида, усеченная пирамида и т.д. [И.В. Минин, О.В. Минин. Фотоника изолированных диэлектрических частиц произвольной трехмерной формы - новое направление оптических информационных технологий // Вестник НГУ. Серия: Информационные технологии. 2014, №4, С.4-10; Minin I.V., Minin O.V., Kharitoshin N.A. Localized high field enhancements from hemispherical 3D mesoscale dielectric particles in the reflection mode // 16th International Conference of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices June 29 - July 3, 2015; V.Pacheco-Pena, M. Beruete, I. V. Minin, O. V. Minin. Terajets produced by 3D dielectric cuboids // Appl. Phys. Lett. V.105, 084102 (2014); Патент РФ 174536, «Волноводный излучатель»]. Кроме того, формирование области с повышенной интенсивностью излучения и с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4 происходит при их облучении диэлектрических волной с плоским фронтом и сферически сходящимся фронтом.

Было установлено, что область фокусировки электромагнитного излучения, формируемой на теневой поверхности мезоразмерной диэлектрической частицы, аналогичной «фотонной» струе может быть сформирована на выходе прямоугольного тонкостенного металлического волновода с открытым концом, нагруженного на мезоразмерную диэлектрическую кубоидную частицу.

Установлено, что диэлектрические мезоразмерные частицы, например, в форме кубоида с характерным размером не менее λ, где λ - длина волны используемого излучения, с коэффициентом преломления материала, лежащим в диапазоне от 1,2 до 1,9, при их размещении на открытом конце волноводного СВЧ зонда, увеличивает пространственное разрешение зонда до уровня λ/3-λ/4.

При коэффициенте преломления материала мезоразмерной частицы менее 1,2 и более 1,9 не происходит увеличения пространственного разрешения зонда. При коэффициенте преломления материала мезоразмерной диэлектрической частицы область фокусировки излучения формируется внутри материала диэлектрической частицы. При коэффициенте преломления материала мезоразмерной диэлектрической частицы менее 1,2 пространственное разрешение зонда сравнивается с пространственным разрешением волноводного СВЧ зонда без диэлектрической частицы.

Работа волноводного СВЧ зонда происходит следующим образом. Источник энергии электромагнитного излучения генерирует электромагнитное излучение 1, которое поступает в тонкостенный волновод 2 и направляется к открытому концу волновода. Электромагнитное излучение 1 освещает диэлектрическое согласующее устройство 3, выполненное в виде равнобедренной треугольной выемки в диэлектрике, расположенном в волноводе 2 и направленной вершиной выемки к мезоразмерной диэлектрической частице или в виде пирамиды 7. За счет формы диэлектрического согласующего устройства плавно изменяется (возрастает) эффективный показатель преломления согласующего устройства и, следовательно, уменьшаются потери на отражение электромагнитной энергии от диэлектрической вставки 3 и мезоразмерной диэлектрической частицы 4. Непосредственное сочленение плоского основания диэлектрической частицы 4, обращенного к открытому концу волновода 2 и согласующего устройство 3 расположенного внутри волновода осуществляется надежная фиксация мезоразмерной диэлектрической частицы 4 на открытом конце волновода и защита его от атмосферного влияния, происходит герметизация волновода 2. Электромагнитное излучение 1 облучает диэлектрическую мезочастицу 4 и в результате дифракции и интерференции волн на теневой ее поверхности формируется субволновая область фокусировки 5, аналога «фотонной» струи.

Диэлектрическая мезочастица и согласующее диэлектрическое устройство могут быть изготовлены, например, методами 3D принтера или путем механической обработки.

В качестве материалов для диэлектрической мезочастицы могут быть использованы, например, полиэтилен с коэффициентом преломления N≈1,51, поли-4-метилпентен N≈1,46, фторопласт N≈1,44-1,46, плексиглас N≈1,59-1,60 [Измерения на миллиметровых и субмиллиметровых волнах: методы и техника / Р.А. Валитов, С.Ф. Дюбко, Б.И. Макаренко и др. М.: Радио и связь, 1984. - 296 с.] или быть изготовлены из искусственных материалов, например, приведенных в [Патент РФ №: 2263124, Диэлектрическая полимерная пена и линза для радиоволн с ее использованием].

Экспериментальные исследования проводились в диапазоне частот 75 ГГц, путем сравнения усиления волноводного излучателя в виде открытого конца прямоугольного волновода и пространственного разрешения СВЧ зонда. Для диэлектрической частицы в форме кубоида с величиной ребра, равной длине волны излучения, коэффициентом преломления материала, равным 1,46 и согласующих устройств, усиление в области фокусировки излучения увеличивается в 1,7 раз по сравнению с открытым концом волновода, а пространственное разрешение предлагаемого волноводного СВЧ зонда возрастает примерно в 1,6 раз.

Изобретение относится к области ближнепольной микроскопии и может быть использовано при неразрушающем контроле, исследовании микрорельефа отражающих поверхностей. Волноводный СВЧ-зонд содержит источник электромагнитного излучения, приемник электромагнитного излучения, устройство канализации электромагнитного излучения в виде тонкостенного металлического волновода с открытым концом. На открытом торце волновода размещена мезоразмерная кубоидная диэлектрическая частица с характерными размерами порядка длины волны излучения в свободном пространстве, выполненная из материала с коэффициентом преломления, выбираемым в диапазоне от 1,2 до 1,9. На плоском основании диэлектрической частицы, обращенном к открытому концу волновода, расположено согласующее устройство, которое непосредственно расположено внутри волновода. Технический результат - повышение разрешающей способности волноводного СВЧ зонда при сохранении его энергетической эффективности и обеспечении герметичности волноводного тракта. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Волноводный СВЧ зонд, состоящий из источника электромагнитного излучения, приемника электромагнитного излучения, устройства канализации электромагнитного излучения в виде стандартного тонкостенного металлического волновода с открытым концом, отличающийся тем, что на открытом торце волновода размещена мезоразмерная кубоидная диэлектрическая частица с характерными размерами порядка длины волны излучения в свободном пространстве, и выполненная из материала с коэффициентом преломления, выбираемым в диапазоне от 1,2 до 1,9, а на плоском основании диэлектрической частицы, обращенном к открытому концу волновода, расположено согласующее устройство, которое непосредственно расположено внутри волновода.

2. Волноводный СВЧ зонд по п.1, отличающийся тем, что согласующее устройство выполнено в виде равнобедренной треугольной выемки в диэлектрическом материале, находящемся в волноводе, направленной вершиной выемки к мезоразмерной диэлектрической частице и расположенной вдоль широкой стенки волновода.

3. Волноводный СВЧ зонд по п.1, отличающийся тем, что согласующее устройство выполнено в виде четырехугольной пирамиды, ее вершиной, проецируемой в центр ее основания, и основанием пирамиды, сопряженным с основанием диэлектрической частицы.