Способ и устройство формирования наклонной фотонной струи, формируемой мезоразмерной частицей Российский патент 2023 года по МПК G02B3/00 

Изобретение относится к способу и устройству построения оптического изображения за счет использования прозрачной мезоразмерной частицы в качестве оптической линзы, формирующей наклонную фотонную струю, для достижения субволнового изображения с высоким контрастом. В частности, настоящее изобретение относится к подложке для удержания микросферы.

Оптический микроскоп, часто называемый «световым микроскопом», представляет собой тип микроскопа, который использует видимый свет и систему линз для увеличения изображений небольших образцов. Оптические микроскопы являются старейшей конструкцией микроскопа и, возможно, были изобретены в их нынешнем составном виде в 17 веке. Базовые оптические микроскопы могут быть очень простыми, хотя существует множество сложных конструкций, целью которых является улучшение разрешения и контрастности образца.

Альтернативы оптической микроскопии, в которых не используется видимый свет, включают сканирующую электронную микроскопию и просвечивающую электронную микроскопию. При очень большом увеличении в проходящем свете точечные объекты видны как размытые диски, окруженные дифракционными кольцами. Они называются дисками Эйри. Разрешающая способность микроскопа определяется, как способность различать два близко расположенных диска Эйри (или, другими словами, способность микроскопа выявлять смежные структурные детали как отчетливые и раздельные). Именно эти эффекты дифракции ограничивают способность разрешать мелкие детали. На протяженность и величину дифракционных картин влияют как длина волны света λ, так и преломляющие материалы, используемые для изготовления линзы объектива, и числовая апертура (NA) линзы объектива. Следовательно, существует конечный предел, за пределами которого невозможно разрешить отдельные точки в поле зрения объектива, известный как предел дифракции. Считается, что традиционная оптика физически ограничивает разрешающую способность примерно половиной длины волны падающего света из-за дифракционного предела Аббе [Борн М., Вольф Э. Основы оптики, издание 2-е. Издательство «Наука» Главная редакция физико-математической литературы, Москва, 1973].

Однако, по мере развития современных технологий, может быть достигнут прорыв за пределы разрешающей способности. Одним из наиболее многообещающих подходов является наблюдение субволновых характеристик через прозрачные микросферы. Этот прорыв в дальнейшем привел к широкому интересу к изучению изображений с помощью микросфер. Эти исследования подтвердили разрешающую способность микросфер [Boris S. Luk’yanchuk, Ramón Paniagua-Domínguez, Igor Minin, Oleg Minin, and Zengbo Wang. Refractive index less than two: photonic nanojets yesterday, today and tomorrow // Optical Materials Express Vol. 7, Issue 6, pp. 1820-1847 (2017); Minin I. V., Minin O. V. Diffractive optics and nanophotonics: Resolution below the diffraction limit. – Springer, 2016 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.springer.com/us/book/9783319242514#aboutBook]. В общем, функция микросферы заключается в увеличении виртуального изображения образца до размера, который может быть разрешен обычными оптическими микроскопами. Микросферы способны фокусировать падающий свет в острую точку. При размещении микросферы над поверхностью образца субволновые элементы на образце могут быть освещены сфокусированным светом, и может быть сформировано увеличенное виртуальное изображение. При текущей разработке этого способа большинство экспериментов проводится путем размещения микросфер непосредственно поверх образцов, что имеет много недостатков, таких как загрязнение или разрушение хрупких образцов, невозможность сканирования поверхности, сложность разделения образца и микросфер друг от друга и сложность достижения оптимальной плоскости изображения. Для дальнейшего развития этой области для практического применения необходимо отделять микросферы от поверхности образца.

Пропускание света через мезоразмерные прозрачные частицы обладает интересными оптическими свойствами и привлекает внимание исследователей на протяжении десятилетий.

В 2004 году сообщалось о существовании сильно сходящегося незатухающего распространяющегося луча, генерируемого на теневой стороне микроцилиндра с подсветкой плоской. Он был назван фотонной наноструей, чтобы отличаться своими свойствами от обычного гауссова пучка, генерируемого оптическими линзами. Фотонная наноструя была создана как луч высокой интенсивности с субволновой шириной, который может распространяться на гораздо большее расстояние, чем длина волны падения λ [A. Heifetz et al. Experimental confirmation of backscattering enhancement induced by a photonic jet // Appl. Phys. Lett., 89, 221118 (2006); Y.F. Lu, L. Zhang, W.D. Song, Y.W. Zheng, and B.S. Luk’yanchuk, // J. Exp. Theor. Phys. Lett. 72, 457 (2000); B. S. Luk'yanchuk, Z. B. Wang, W. D. Song, and M. H. Hong, Particle on surface: 3D-effects in dry laser cleaning // Appl. Phys., A Mater. Sci. Process. 79(4-6), 747-751 (2004)]. Это явление обычно связано с излучением падающего света на диэлектрический микроцилиндр без потерь или микросферу диаметром не менее λ, где фотонная наноструя выходит из теневой поверхности структур. Этими специфическими свойствами не обладают классические гауссовы лучи, генерируемые объективами с высокой числовой апертурой.

Фотонная струя возникает в области теневой поверхности диэлектрических микросферических частиц – в т.н. ближней зоне дифракции – и характеризуется сильной пространственной локализацией и высокой интенсивностью оптического поля в области фокусировки. Было показано, что при падении плоской волны на сфероидальную частицу достижимо пространственное разрешение до трети длины волны, что ниже классического дифракционного предела. Многие исследовательские группы сообщили о широком диапазоне диаметров микросфер от 2λ до более чем 50λ теоретически и экспериментально. Благодаря своим уникальным характеристикам фотонная наноструя, формируемая из обычных микросфер, находит множество применений.

Позднее, возможность формирования фотонных наноструй была исследована для диэлектрических осесимметричных тел, например, эллиптических наночастиц [Минин И.В., Минин О.В. Квазиоптика: современные тенденции развития – Новосибирск: СГУГиТ, 2015. - 163 с.; T. Jalalia and D. Erni. Highly confined photonic nanojet from elliptical particles // Journal of Modern Optics, Vol.61, No. 13, 1069-1076 (2014).], многослойных слоисто-неоднородных микросферических частиц с радиальным градиентом коэффициента преломления [César Méndez Ruiz and Jamesina J. Simpson. Detection of embedded ultrasubwavelength-thin dielectric features using elongated photonic nanojets // 2 August 2010 / Vol. 18, No. 16 / Optics Express 16805], а также полусфер [Cheng-Yang Liu. Photonic nanojet shaping of dielectric non-spherical microparticles // Physica E 64 (2014), pp.23–28.], дисков [B. Luk`yanchuk, N.I. Zheludev, S.A. Maier, N.J. Halas, P. Nordlander, H. Giessenand T.C. Chong. The Fano resonance in plasmonic nanostructures and metamaterials // Nat. Mater.9, 707-715 (2010); C-Y. Liu and C-C. Li. Photonic nanojet induced modes generated by a chain of dielectric microdisks // Optik 127, 267–273 (2016).], цилиндра-сферы [Jinlong Zhu and Lynford L. Goddard. Spatial control of photonic nanojets // Optics Express, Vol. 24, No. 26, 2016, 30445].

Также было обнаружено, что фотонные струи могут быть сформированы несимметричными мезоразмерными диэлектрическими частицами, например, в форме кубоида, усеченного шара, пирамиды, усеченной пирамиды, призмы, объемного шестигранника и т.д. [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; V. Pacheco-Pena, M. Beruete, I. V. Minin and O. V. Minin. Terajets produced by 3D dielectric cuboids // Appl. Phys. Lett. 105, 084102 (2014); I.V. Minin, O.V. Minin and Geintz Y.E. Localized EM and photonic jets from non-spherical and non-symmetrical dielectric mesoscale objects: brief review // Annalen der Physik (AdP), May 2015 DOI: 10.1002/andp.201500132; Yu. E. Geintz, A.A. Zemlyanov and E.K. Panina. Photonic Nanonanojets from Nonspherical Dielectric Microparticles // Russian Physics Journal 58, 904-910 (2015); Yu. E. Geints, A.A. Zemlyanov and E.K. Panina. Characteristics of photonic jets from microcones // Optics and Spectroscopy 119, 849-854 (2015); 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.].

В результате проведенных исследований, было обнаружено, что диэлектрические мезочастицы произвольной формы, например в форме куба или сферы, усеченной сферы или форме цилиндра, в форме пирамиды или конуса или цилиндра при падении излучения с его торца, с характерным размером не менее λ/2, где λ – длина волны используемого излучения, с относительным коэффициентом преломления материала лежащего в диапазоне примерно от 1,2 до 1,9 по отношению к коэффициенту преломления окружающей среды, при ее облучении электромагнитной волной с плоским волновым фронтом, формируют на ее внешней (теневой) границе с противоположной стороны от падающего излучения локальную область с повышенной интенсивностью излучения с поперечными размерами порядка λ/3–λ/4 (фотонную струю).

При относительном коэффициенте преломления материала мезоразмерной частицы менее 1,2 поперечный размер локальной области концентрации поля становится порядка и более дифракционного предела и не обеспечивает значительного повышения интенсивности электромагнитного поля на ее границе. При относительном коэффициенте преломления материала мезоразмерной частицы примерно более 1,9 локальная концентрация электромагнитного поля возникает внутри частицы.

О качестве изображения, которое можно получить в любой изображающей системе, принято судить по числу наиболее мелких деталей в изображении. Этому соответствует широкий пространственный спектр. Только два параметра определяют ширину пространственного спектра – это длина волны и тот максимальный угол, под которым волны входят в изображающее устройство. Эти два параметра определяют максимально возможное качество получаемого изображения. Таким образом, для улучшения возможного качества получаемого изображения существуют два пути – это либо укорочение длины волны, либо увеличение угла, под которым волны могут попасть в изображающую систему [Зверев В.А. Физические основы формирования изображений волновыми полями. – Нижний Новгород: ИПФ РАН, 1998. – 252 с.]. Других путей нет.

Известно, что при освещении образца косым электромагнитным излучением широким пучком, по сравнению с длиной волны используемого излучения, наблюдается смещение в порядках дифракции, позволяющее формирующей системой фиксировать нулевой порядок с одной стороны и несколько высших порядков, которые не фиксируются при использовании осевого излучения. Основное преимущество этого способа заключается в том, что наклонное освещение может увеличить истинное разрешение, если будут зафиксированы максимумы дифракционной картины образца более высокого порядка. Наклонное освещение эффективно удваивает числовую апертуру, позволяя передавать дифрагированные порядки нулевого и первого порядка. Системы с наклонным освещением могут быть использованы в микроскопии, интроскопии для улучшения качества получаемого изображения за счет увеличения его контрастности [О.В. Минин, И.В. Минин. Терагерцевый микроскоп с наклонным субволновым освещением: принцип построения // Квантовая электроника, 52, № 1, 2022].

Известно, что контраст изображения в воздухе при использовании микроскопа на основе диэлектрических мезоразмерных частиц можно существенно повысить с помощью микрочастиц, обеспечивающих формирование области локализации излучения под углом к направлению падения излучения (под углом к оптической оси) [О.В. Минин, И.В. Минин. Терагерцевый микроскоп с наклонным субволновым освещением: принцип построения // Квантовая электроника, 52, № 1, 2022, с. 13-16].

Наклонное освещение в ближней зоне может помочь линзе микроскопа улавливать от образца дифракционные поля более высоких порядков, что важно для повышения качества изображения и в первую очередь его контрастности в ТГц микроскопах на основе микрочастиц, в том числе и для биофизических исследований.

Известен способ и устройство формирования наклонной фотонной струи [О.В. Минин, И.В. Минин. Терагерцевый микроскоп с наклонным субволновым освещением: принцип построения // Квантовая электроника, 52, № 1, 2022, с. 13-16]. Способ включает формирование электромагнитной волны с плоским фронтом и облучение электромагнитным излучением не пропускающего излучение экрана расположенного несимметрично относительно оптической оси микросферической линзы, расположенной за экраном и формированием наклонной фотонной струи непосредственно на теневой поверхности микросферической линзы и устройство содержащее микросферическую линзу и поглощающий или металлический экран установленный на освещенной стороне микросферической линзы. Если ширина освещающего пучка меньше диаметра частицы, обе компоненты волнового вектора (параллельная и перпендикулярная) из-за локальной деструктивной интерференции не компенсируют друг друга. В результате в окрестности теневой части микросферической линзы формируется фотонный крючок с кривизной, пропорциональной величине экранированной части падающего излучения.

Достоинством этого способа является его применимость и в акустике. Этот механизм может сыграть важную роль в разработке более совершенных и надёжных систем визуализации и микроскопах сверхвысокого разрешения. Оптимизация пространственного разрешения достигается разумным компромиссом между размером частицы и её оптическим контрастом.

Недостатком этого способа и устройства формирования наклонных фотонных наноструй является его сложность и низкая эффективность связанная с экранировкой части освещающего излучения.

Следовательно, существует потребность в разработке простого способа и устройства формирования наклонных фотонных наноструй с высокой эффективностью для оптической системы формирования изображений со сверхразрешением.

Известно устройство формирования фотонной струи, содержащее кантилевер с оптически прозрачной микросферической линзой, соединенной с дистальным концом кантилевера [Liao Jung-Chi, Nathwani Bhavik, Yang Tony. Microsphere superlens based superresolution imaging platform // WO/2013/043818, Publication Date:28.03.2013].

Недостатком устройства является невозможность формирования наклонной фотонной наноструи.

Известен способ и устройство формирования фотонной струи по патенту [Wang Zengbo. Improvements in and relating to lenses // WO 2015/025174 Al, International Publication Date 26 February 2015]. Способ заключается в облучении прозрачной для излучения подложки с показателем преломления менее показателя преломления сферической мезоразмерной частицы с формированием оптического фокуса вне теневой поверхности подложки. Устройство содержит прозрачную для освещающего излучения подложку в которой размещены сферические мезоразмерные частицы, при этом оптический фокус каждой из частиц находится вне подложки.

Недостатком способа и устройства является невозможность формирования наклонной фотонной наноструи.

Известен способ и устройство формирования фотонной струи [Hong Minghul, Zhou Rui, Wu Mengxue, Huang Binjie. Membrane for retaining a microsphere // WO 2017/034484 A1, Pub. Date 02.03.2017]. Способ состоит в облучении электромагнитным излучением микросферы, размещенной в непрозрачной для излучения мембране с коническим отверстием. Устройство содержит мембрану, имеющую первую поверхность и вторую поверхность, первая и вторая поверхности противостоят друг другу, мембрана содержит: отверстие, проходящее через мембрану и имеющее размер, позволяющий удерживать микросферу, причем отверстие имеет конусообразную форму, размер отверстия на первой поверхности больше, чем размер отверстия на второй поверхности.

Недостатком способа и устройства является невозможность формирования наклонной фотонной наноструи.

Известно устройство формирования фотонной струи, содержащее прозрачный для падающего излучения диэлектрический слой, в котором размещена одна или несколько мезоразмерных диэлектрических частиц, при этом оптический фокус каждой частицы находится вне диэлектрического слоя, при этом частицы выполнены из материала с относительным показателем преломления по отношению к показателю преломления среды окружающей частицу, примерно от 1,2 до 2 и с характерным размером не менее λ, где λ – длина волны падающего излучения, и формирующие непосредственно на своей теневой границе фотонную струю с пространственным разрешением, превышающим дифракционный предел [Патент РФ 181086, WO 2015025174 A1].

Недостатком устройств является невозможность формирования наклонной фотонной наноструи.

Известно устройство формирования наклонной фотонной наноструи содержащее источник излучения и диэлектрическую частицу с плоской боковой поверхностью равной толщины и с характерным размером, сравнимым с длиной волны падающего излучения, а непосредственно на боковой поверхности частицы, перпендикулярно падающему излучению не симметрично относительно оптической оси на одной из ее боковых сторон, установлен металлический экран на расстоянии от освещенного торца частицы находящегося в диапазоне от L/2 до L, где L – длина частицы вдоль направления падения на нее излучения [Патент РФ 202291].

Недостатком устройства является невозможность формирования наклонной фотонной наноструи для мезоразмерных частиц не имеющих плоскую боковую поверхность.

Наиболее близким к предложенному способу и устройству, реализующему способ [Патент РФ 2672980], является способ формирования фотонной струи, включающий размещение на теневой поверхности плоской прозрачной подложки одной или нескольких микролинз выполненных в виде сферических мезоразмерных частичек и облучении электромагнитным излучением со сформированным плоским волновым фронтом поверхности подложки противоположной теневой поверхности. Устройство формирования фотонной струи, включает плоскую прозрачную подложку, на теневую поверхность которой нанесена одна или несколько микролинз выполненных в виде мезоразмерных частичек и характерным размером не менее длины волны падающего излучения, формирующих на своей теневой поверхности фотонную струю с пространственным разрешением, превышающим дифракционный предел [Патент РФ 2672980].

Недостатком устройства является невозможность формирования наклонной фотонной наноструи.

Задачей, решаемой предлагаемым устройством, является повышение качества получаемого изображения исследуемого объекта, за счет формирования наклонной фотонной наноструи.

Технический результат, который может быть получен при выполнении заявленного способа и устройства реализующего способ - улучшение качества изображения в оптических системах построения изображения исследуемых объектов, при повышении контраста получаемого изображения.

Поставленная задача решается благодаря тому, что в способе формирования фотонной струи, включающего размещение на теневой поверхности плоской прозрачной подложки одной или нескольких микролинз, выполненных в виде сферических мезоразмерных частичек, и облучение электромагнитным излучением со сформированным плоским волновым фронтом поверхности подложки противоположной теневой поверхности, новым является то, что подложка сформирована из двух слоев с общей границей в одной плоскости из материалов с различными показателями преломления, менее показателя преломления материала мезоразмерной частицы и сферическая частица размещается на подложке так, чтобы всегда находится на двух слоях материала.

Поставленная задача решается благодаря тому, что в устройство формирования фотонной струи для осуществления способа, включающего плоскую прозрачную подложку, на теневую поверхность которой нанесена одна или несколько микролинз выполненных в виде сферических мезоразмерных частичек и с характерным размером не менее длины волны падающего излучения, формирующих на своей теневой поверхности фотонную струю с пространственным разрешением, превышающим дифракционный предел, новым является то, что подложка выполнена из двух слоев прозрачных материалов с оптическим контрастом между ними 0.99-0.8 и с показателями преломления менее показателя преломления мезоразмерной частицы, а мезоразмерная частица размещается на подложке не симметрично или симметрично относительно общей границы двух слоев, при этом ширина каждого слоя подложки составляет более половины характерного размера мезоразмерной частицы.

Сравнение научно-технической и патентной документации на дату приоритета в основной и смежной рубриках МКИ показывает, что совокупность существенных признаков заявленного решения ранее не была известна, следовательно, оно соответствует условию патентоспособности «новизна».

Анализ известных технических решений в данной области техники показал, что заявляемое устройство формирования наклонной фотонной наноструи имеет признаки, которые отсутствуют в известных технических решениях, а использование их в заявленной совокупности признаков дает возможность получить новый технический результат, следовательно, предложенное техническое решение имеет "изобретательский уровень" по сравнению с существующим уровнем техники.

Предложенное техническое решение промышленно применимо, т.к. может быть изготовлено промышленным способом, работоспособно, осуществимо и воспроизводимо, следовательно, соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость».

На фиг. 1 показана схема устройства формирования наклонной фотонной струи формируемой мезоразмерной частицей при размещении мезоразмерной частицы на подложке из двух слоев.

На фиг. 2 приведены результаты математического моделирования формирования наклонной фотонной струи при использовании мезоразмерной частицы размещенной на подложке не симметрично относительно общей границы двух слоев, при этом ширина каждого слоя подложки составляет более половины характерного размера мезоразмерной частицы с различным оптическим контрастом слоев. Исследовалась мезоразмерная частица диаметром D=6 мкм (12.8λ) на длине волны λ=470 нм, выполненная из материала с показателем преломления 1,9, показатели преломления слоев подложки равнялись соответственно 1,4 и 1,52, смещение мезоразмерной частиц от общей границы двух слоев подложки составляло: a - 0,4D, b - 0,3D, c - 0,2D, d - 0,1D, e - 0, f - -0,1D, g - -0.,2D, h - -0,3D, I - -0,4D.

На фиг. 3 приведены результаты математического моделирования формирования наклонной фотонной струи при использовании мезоразмерной частицы размещенной на подложке симметрично относительно общей границы двух слоев c различными показателями преломления, при этом ширина каждого слоя подложки составляет более половины характерного размера мезоразмерной частицы с различным оптическим контрастом слоев. Исследовалась мезоразмерная частица диаметром D=6 мкм (12,8λ) на длине волны λ=470 нм, выполненная из материала с показателем преломления 1,9, показатели преломления слоев подложки равнялись соответственно 1,4 и второго слоя увеличивался от 1,41 до 1,50 с шагом 0,01.

Обозначения: 1 - падающее излучение, 2 - прозрачная плоская подложка состоящая из двух слоев 3 и 4 с различными показателями преломления N₁ и N₂, 5 - мезоразмерная прозрачная частица, сферической или цилиндрической формы и выполненная из материала с показателем преломления N₃, 6 - формируемая наклонная фотонная наноструя.

Способ осуществляется следующим образом. Электромагнитное излучение 1 со сформированным плоским фронтом облучает прозрачную плоскую подложку 2, которая сформирована из двух слоев 3 и 4 с общей границей в одной плоскости и с различными показателями преломления N₁ и N₂. На теневой поверхности подложки 2 размещается мезоразмерная прозрачная частица, выполненная из материала с показателем преломления N_3. Для формирования фотонной струи необходимо, чтобы показатель преломления мезоразмерной частицы N₃ был больше показателей преломления материала подложки N₁ и N₂. В ином случае фотонная струя не формируется. При этом сферическая или цилиндрическая мезоразмерная частица 5 размещается на подложке 2 так, чтобы всегда находиться на двух слоях материала 3 и 4. Электромагнитная волна, распространяясь по подложке 2 из двух слоев 3 и 4 две волны, каждая со своей фазой и такая «несимметричная» волна облучает мезоразмерную сферическую частицу 5. В результате дифракции и интерференции волн на мезоразмерной сферической частице 5 непосредственно на ее теневой поверхности формируется наклонная фотонная струя 6.

Наклон формируемой фотонной струи зависит от относительного показателя преломления слоев подложки N₁/N₂ и размещения мезоразмерной частицы относительно слоев 3 и 4.

В результате применения фазовой оптической подложки из двух слоев достигается высокая эффективность формирования наклонной фотонной струи.

Наклонное освещение в ближней зоне может помочь линзе микроскопа улавливать от образца дифракционные поля более высоких порядков, что важно для повышения качества изображения и, в первую очередь, его контрастности в ТГц микроскопах на основе микрочастиц, в том числе и для биофизических исследований. Оптимизация пространственного разрешения достигается разумным компромиссом между размером частицы и её оптическим контрастом.

Пример 1 осуществления способа. Устройство формирования фотонной струи для осуществления способа включает плоскую прозрачную подложку 2, на теневую поверхность которой нанесена одна или несколько микролинз выполненных в виде сферических или цилиндрических мезоразмерных частичек 5 и с характерным размером не менее длины волны падающего излучения, формирующих на своей теневой поверхности фотонную струю с пространственным разрешением, превышающим дифракционный предел, при этом подложка выполнена из двух слоев 3 и 4 прозрачных материалов с оптическим контрастом между ними приблизительно равного 0,99-0,8 и с показателями преломления менее показателя преломления мезоразмерной частицы, а мезоразмерная частица 5 размещается на подложке не симметрично относительно общей границы двух слоев, при этом ширина каждого слоя подложки составляет более половины характерного размера мезоразмерной частицы.

При выполнении сферической мезоразмерной частицы с относительным показателем преломления по отношению к показателю преломления окружающей среды, находящимся в диапазоне примерно от 1,2 до 1,9 на ее теневой поверхности формируется фотонная струя. При относительном показателе преломления менее примерно 1,2 формируемая фотонная струя увеличивает свой поперечный размер и не превышает дифракционный предел, а при более 1,9 фотонная струя формируется внутри тела мазоразмерной частицы.

При характерном размере сферической частицы менее длины волны падающего излучения фотонная струя не формируется.

При выполнении подложки из двух слоев 3 и 4 прозрачных материалов с оптическим контрастом между ними приблизительно равным 0,99-0,8 и с показателями преломления менее показателя преломления с показателями преломления менее показателя преломления мезоразмерной частицы мезоразмерной частицы формируется наклонная фотонная струя на теневой поверхности сферической или цилиндрической частицы.

При оптическом контрасте слоев подложки более 0,99 и менее 0,8, формирование наклонной фотонной струи не происходит и формируется обычная фотонная струя.

На фиг.2 приведены результаты математического моделирования формирования наклонной фотонной струи при использовании мезоразмерной частицы размещенной на подложке не симметрично относительно общей границы двух слоев, при этом ширина каждого слоя подложки составляет более половины характерного размера мезоразмерной частицы с различным оптическим контрастом слоев.

Пример 2 осуществления способа. Устройство отличается от устройства, приведенного в примере 1 тем, что сферическая или цилиндрическая частица размещается на подложке на общей границе двух слоев.

На фиг. 3 приведены результаты математического моделирования формирования наклонной фотонной струи при использовании мезоразмерной частицы размещенной не симметрично относительно общей границы двух слоев подложки, при этом ширина каждого слоя подложки составляет более половины характерного размера мезоразмерной частицы с различным оптическим контрастом слоев.

Установлено, что наклонная фотонная струя под углом наклона примерно равного 20-21 градус, контраст формируемого изображения возрастает в 1,9-2 раза при разрешении равном дифракционному пределу.

В качестве материалов подложки могут использоваться различные оптические стекла, оптические полимеры и т.п. [Зверев В.А., Кривопустова Е.В., Точилина Т.В. Оптические материалы. Часть 1 Учебное пособие для конструкторов оптических систем и приборов. - СПб: СПбГУ ИТМО, 2009 - 244 с.].

В качестве диэлектриков с различными величинами показателя преломления в СВЧ и КВЧ диапазонах могут использоваться, в зависимости от используемого спектрального диапазона, различные стекла, полимеры [Молотков Н.Я., Ломакина О.В., Егоров А.А. Оптика и квазиоптика СВЧ / Тамбов: Изд-во Тамб. Гос. Техн. Ун-та, 2009. - 380 с.], например, полиэтилен, полипропилен, политетраметилпентен, полистирол, фторопласт и т.д., керамика, пенопласты, композиционные материалы, искусственные материалы, и т.д.

Например, зависимость коэффициентов преломления от плотности [Minin O.V., Minin I.V. Diffractional optics of millimeter waves.-Bristol and Philadelphia: Institute of Physics Publishing, 2004. - 396 p.] в миллиметровом диапазоне длин волн для полиэтилена и полипропилена хорошо описывается зависимостью: n=[2.27+2,01(ρ-0,92)]^0.5, где ρ - плотность [г/см³], а для фторопласта 4, при ρ=0,4-2,7 г/см³ имеет место соотношение: n=1+0,196 ρ.

Изобретение относится к области оптического приборостроения и касается способа формирования фотонной струи. Способ включает размещение на теневой поверхности плоской прозрачной подложки одной или нескольких микролинз, выполненных в виде сферических мезоразмерных частичек, и облучение электромагнитным излучением со сформированным плоским волновым фронтом поверхности подложки, противоположной теневой поверхности. Подложка состоит из двух слоев с общей границей в одной плоскости из материалов с различными показателями преломления, менее показателя преломления материала мезоразмерной частицы, и сферическая частица размещается на подложке так, чтобы всегда находиться на двух слоях материала. Технический результат заключается в улучшении качества и повышении контраста получаемого изображения. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ формирования фотонной струи, включающий размещение на теневой поверхности плоской прозрачной подложки одной или нескольких микролинз, выполненных в виде сферических мезоразмерных частичек, и облучение электромагнитным излучением со сформированным плоским волновым фронтом поверхности подложки, противоположной теневой поверхности, отличающийся тем, что подложка сформирована из двух слоев с общей границей в одной плоскости из материалов с различными показателями преломления, менее показателя преломления материала мезоразмерной частицы, и сферическая частица размещается на подложке так, чтобы всегда находиться на двух слоях материала.

2. Устройство формирования фотонной струи для осуществления способа по п. 1, включающее плоскую прозрачную подложку, на теневую поверхность которой нанесена одна или несколько микролинз, выполненных в виде сферических мезоразмерных частичек и с характерным размером не менее длины волны падающего излучения, формирующих на своей теневой поверхности фотонную струю с пространственным разрешением, превышающим дифракционный предел, отличающееся тем, что подложка выполнена из двух слоев прозрачных материалов с оптическим контрастом между ними 0,99-0,8 и с показателями преломления менее показателя преломления мезоразмерной частицы, а мезоразмерная частица размещается на подложке несимметрично или симметрично относительно общей границы двух слоев, при этом ширина каждого слоя подложки составляет более половины характерного размера мезоразмерной частицы.