Способ генерации суперрезонансных мод Ми высокого порядка в полой сферической мезоразмерной диэлектрической частице Российский патент 2023 года по МПК G01R29/08 B82Y20/00 

Изобретение относится к способам генерации резонансных мод Ми высокого порядка в полой сферической мезоразмерной диэлектрической частице и может быть использовано для получения сильной локализации электромагнитных полей в области, сравнимой с длиной волны, можно использовать 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., 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 однородных изотропных сферах определенных размеров иногда наблюдалось в виде взрыва нескольких сфер при первоначальном исследовании лазерной очистки микро/наночастиц со случайными размерами.

Известен способ создания сильных магнитных полей по патенту РФ №2795609 «Способ создания сильных магнитных полей в мезоразмерных частицах», заключающийся в формировании оптических вихрей внутри однородной сферической диэлектрической частицы и возникающих при облучении сформированного монохроматического излучения сферической диэлектрической частицы, выполненной из прозрачного материала для используемого излучения и с мезоразмерным диаметром, возбуждения в частице суперрезонансных мод Ми высокого порядка и формирования горячих точек вокруг полюсов сферической частицы вдоль направления распространения излучения.

Диэлектрические однородные 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, 25 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.

Из технической литературы известны способ и устройства генерации резонанса в СВЧ-диапазоне при использовании однородных 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.

Известен способ генерации резонанса в мезоразмерной однородной диэлектрической 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].

Все известные способы генерации резонанса Ми в диэлектрических однородных сферах обладают тем недостатком, что диэлектрические частицы с высоким показателем преломления обладают значительными потерями на рассеивание и поглощение излучения в материале частицы, а также отмечена дороговизна конструкционного материала, поскольку для создания необходимы диэлектрики с высоким показателем преломления. Собственные потери в материале диэлектрика затрудняют или даже препятствуют наблюдению резонансных мод, а также не предназначены для генерации мод Ми высокого порядка в полой сферической мезоразмерной диэлектрической частице.

Известен способ определения суперрезонанса на модах Ми высокого порядка для сферической диэлектрической частицы по патенту РФ №2786780, заключающийся в изготовлении сферической диэлектрической частицы из прозрачного материала для используемого излучения, облучении диэлектрической частицы лазерным излучением, при этом облучение диэлектрической частицы осуществляют перестраиваемым источником излучения, формируют освещающую волну с плоским волновым фронтом, регистрируют электромагнитное излучение в горячих точках вокруг полюсов сферы вдоль направления распространения излучения, преобразуют регистрируемое излучение в электрический сигнал и определяют суперрезонанс мод Ми высокого порядка по уровню максимального сигнала при различных длинах волн освещающего излучения.

Недостатком способа является то, что диэлектрические частицы с высоким показателем преломления обладают значительными потерями на рассеивание и поглощение излучения в материале частицы, а также отмечена дороговизна конструкционного материала, поскольку для создания необходимы диэлектрики с высоким показателем преломления. Собственные потери в материале диэлектрика затрудняют или даже препятствуют наблюдению резонансных мод, а также не предназначены для генерации мод Ми высокого порядка в полой сферической мезоразмерной диэлектрической частице.

Известен способ генерации резонансных мод Ми высокого порядка в мезоразмерных диэлектрических частицах по патенту РФ №2784213 «Способ генерации резонансных мод Ми высокого порядка в мезоразмерных полостях диэлектрического материала», 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.

Недостатком способа является то, что он не предназначен для генерации мод Ми высокого порядка в полой сферической мезоразмерной диэлектрической частице.

В качестве прототипа выбран способ определения суперрезонансных мод Ми высокого порядка в сферической однородной диэлектрической частице, заключающийся в облучении электромагнитным излучением однородной сферической диэлектрической мезоразмерной частицы, определения электрического вектора поля и магнитного вектора поля внутри и снаружи частицы на основе расчета по теории Ми, изменения диаметра диэлектрической частицы до появления суперрезонансных мод Ми с максимальными уровнями напряженности электрического и магнитного полей [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)].

Недостатком способа является то, 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, а также не предназначены для генерации мод Ми высокого порядка в полой сферической мезоразмерной диэлектрической частице.

Задачей заявляемого технического решения является разработка способа генерации резонансных мод Ми высокого порядка в полой сферической мезоразмерной диэлектрической частице с показателем преломления материала полости, равным показателю преломления материала окружающей среды и менее показателя преломления материала стенки полости.

Это достигается тем, что применяемый способ генерации суперрезонансных мод Ми высокого порядка в полой сферической мезоразмерной диэлектрической частице, заключающийся в облучении электромагнитным излучением однородной сферической диэлектрической мезоразмерной частицы, определения электрического вектора поля и магнитного вектора поля внутри и снаружи частицы на основе расчета по теории Ми, новым является то, что мезоразмерная диэлектрическая частица выполняется сферически полой, с показателем преломления материала полости, равным показателю преломления материала окружающей среды и менее показателя преломления материала стенки полости, и изменяется толщина стенки сферической полой частицы до появления суперрезонансных мод Ми с максимальными уровнями напряженности электрического и магнитного полей.

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

Функциональная схема этого устройства на примере с одиночной мезоразмерной сферически полой частицей, представлена на Фиг. 1.

На Фиг. 2 приведены результаты математического моделирования по теории Ми, распределения относительных интенсивностей электрического и магнитного полей в сферически полой частице. Распределение полей приведено в логарифмическом масштабе. Диаметр сферической полой частицы 5 мкм (q = 24,8 параметр размера в теории Ми и равного 2πR/λ), показатель преломления стенки частицы N₂ =1,50, показатель преломления материала полости и окружающей среды N₁=1, толщина стенки δ= 0,7291, длина волны освещающего излучения 632,8 нм. Е₀ и Н₀ амплитуды электромагнитной волны, освещающей сферическую полую частицу.

На Фиг. 3 приведены результаты математического моделирования по теории Ми, распределения относительных интенсивностей электрического и магнитного полей в горячей точке. Распределение полей приведено в логарифмическом масштабе. Диаметр сферической полой частицы 8 мкм (q = 39,7), показатель преломления стенки частицы N₂ =1,50, показатель преломления материала полости и окружающей среды N₁=1, толщина стенки δ= 0,8702807 мкм, длина волны освещающего излучения 632,8 нм.

Обозначения: 1 – источник монохроматического излучения (лазер, мазер, лампа обратной волны и т.п.), 2 – сформированная плоская линейно поляризованная электромагнитная волна, 3 – диэлектрическая мезоразмерная сферическая полая частица с показателем преломления стенки N₂ более показателя преломления материала полости и окружающей среды N_1, 4 – окружающая среда с показателем преломления N₁, 5 – приемник электромагнитного диапазона длин волн.

В результате проведенных исследований было установлено, что с увеличением толщины стенки сферической полой мезоразмерной частицы и при увеличении диаметра частицы увеличивается интенсивность электрического и магнитного полей в горячей точке, а при диаметре 8 мкм наступает суперрезонанс для этих условий.

Интенсивность магнитного поля превышает интенсивность электрического поля в горячих точках, табл. 1. Ось Z расположена по направлению падения электромагнитной волны на сферическую полую частицу, вдоль ее оптической оси.

Таблица 1

Диаметр частицы, D мкм δ, толщина стенки частицы, мкм Max(E²) вдоль оси Z Max(H²) вдоль оси Z 5 0,7291 1,548 10⁴ 3388,9 6 0,8137542 1,804 10⁵ 4,214 10⁴ 8 0,8702807 9,565 10⁵ 1,438 10⁷

Работа устройства происходит следующим образом. В качестве источника монохроматического когерентного электромагнитного излучения 1 может выступать, например, 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], 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].

Электромагнитное излучение, сформированное источником 1 в виде освещающей, линейно поляризованной электромагнитной волны с плоским волновым фронтом 2, облучает прозрачную диэлектрическую полую сферу 3, которая расположена в среде 4. Показатель преломления стенки сферической полой частицы N₂ превышает показатель преломления окружающей среды и материала полости N₁.

При облучении полой сферической частицы 3 электромагнитным излучением 2 в стенках частицы могут сформироваться резонансные моды Ми высокого порядка, которые могут быть зарегистрированы приемником электромагнитного излучения 5.

Производят изменение толщины стенки сферической полой частицы 3 до появления суперрезонансных мод Ми с максимальными уровнями напряженности электрического и магнитного полей, которые могут быть зарегистрированы приемником электромагнитного излучения 5.

В качестве приемника электромагнитного излучения 5 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 сферической полой частицы с низким показателем преломления материала стенок и заполненной газом с показателем преломления, близким к 1, и находящейся в воздухе возникают локализованные оптические моды, которые ограничены характерным размером полости и толщиной стенки 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).].

Рассеяние излучения в полости минимально, так как минимален показатель преломления материала, заполняющего полость. Рассеяние на стенках материала сферической полой частицы также минимально, вследствие малости показателя преломления материала стенки. 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 сферической полости находится в мезоразмерной области.

В результате проведенных численных экспериментов на основе теории Ми установлено, что интенсивность электрического и магнитного полей внутри полой сферической диэлектрической частицы зависит от толщины стенки и изменением толщины стенки сферической частицы можно достичь условия появления суперрезонансных мод Ми с максимальным уровнем напряженности электрического и магнитных полей в горячих точках.

Изобретение относится к способам генерации резонансных мод Ми высокого порядка в полой сферической мезоразмерной диэлектрической частице и может быть использовано для получения сильной локализации электромагнитных полей в области, сравнимой с длиной волны, можно использовать в качестве элементов сенсоров, элементов наноантенн. Способ генерации суперрезонансных мод Ми высокого порядка в полой сферической мезоразмерной диэлектрической частице, заключается в облучении электромагнитным излучением однородной сферической диэлектрической мезоразмерной частицы, определении электрического вектора поля и магнитного вектора поля внутри и снаружи частицы на основе расчета по теории Ми, при этом мезоразмерная диэлектрическая частица выполняется сферически полой, с показателем преломления материала полости, равным показателю преломления материала окружающей среды и менее показателя преломления материала стенки полости, и изменяется толщина стенки сферической полой частицы до появления суперрезонансных мод Ми с максимальными уровнями напряженности электрического и магнитного полей. Технический результат заключается в разработке способа генерации резонансных мод Ми высокого порядка в полой сферической мезоразмерной диэлектрической частице с показателем преломления материала полости, равным показателю преломления материала окружающей среды и менее показателя преломления материала стенки полости. 3 ил.

Способ генерации суперрезонансных мод Ми высокого порядка в полой сферической мезоразмерной диэлектрической частице, заключающийся в облучении электромагнитным излучением однородной сферической диэлектрической мезоразмерной частицы, определения электрического вектора поля и магнитного вектора поля внутри и снаружи частицы на основе расчета по теории Ми, отличающийся тем, что мезоразмерная диэлектрическая частица выполняется сферически полой, с показателем преломления материала полости, равным показателю преломления материала окружающей среды и менее показателя преломления материала стенки полости, и изменяется толщина стенки сферической полой частицы до появления суперрезонансных мод Ми с максимальными уровнями напряженности электрического и магнитного полей.