Способ управления положением и формой фотонной струи Российский патент 2024 года по МПК G02B26/08 

Изобретение относится к технике СВЧ, включая терагерцовый и оптический диапазоны длин волн и может использоваться в различных системах ближнепольного видения, неразрушающего контроля с электронным сканированием областью фокусировки излучения и, в частности, к устройствам, позволяющим отклонять фотонную струю относительно оптической оси и изменять форму фотонной струи.

Устройства сканирования электромагнитным излучением являются одним из основных элементов фотоники. Устройства сканирования электромагнитным излучением, включая излучения в террагерцовом и оптическом диапазонах длин волн, применяются в системах построения изображения объектов с субволновым разрешением, в том числе, в конфокальном микроскопе.

Фотонная струя возникает непосредственно в области теневой поверхности диэлектрических микросферических частиц - т.е. в ближней зоне дифракции - и характеризуется сильной пространственной локализацией и высокой интенсивностью электромагнитного поля в области фокусировки. Протяженность фотонной струи - порядка нескольких длин волн используемого излучения, а поперечные размеры - менее половины длины волны излучения. Фотонная струя формируется непосредственно на теневой границе мезоразмерных диэлектрических частиц, выполненных их материала с относительным показателем преломления не более 2. При показателе преломления более 2, фотонная струя формируется внутри частицы. Фотонная струя имеет осесимметричную форму относительно оптической оси [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].

Позднее возможность получения фотонных наноструй была изучена 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 [Cesar Mendez 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. Lukyanchuk, 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, куб, усеченный шар, пирамида, усеченная пирамида, призма, объемный шестигранник 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]. Во всех известных случаях, фотонная струя формировалась вдоль оптической оси диэлектрической частицы и имела осесимметричную форму относительно оптической оси.

Известен способ и устройство для формирования фотонной струи, обладающей свойствами сверх разрешения, включающий формирование электромагнитного излучения, формирование волны с плоским фронтом, облучения электромагнитным излучением слабопоглощающей сферической диэлектрической частицы с диаметром, сравнимым с длиной волны падающего излучения и расположенной вдоль направления распространения излучения и формирования на теневой границе субволновой области фокусировки излучения - «фотонной» струи [Гейнц Ю.Э., Земляное А.А., Панина Е.К. Сравнительный анализ пространственных форм фотонных струй от сферических диэлектрических микрочастиц // Оптика атмосферы и океана. 2012. Т. 25, №5. С. 417-424].

Недостатком известного способа является невозможность формирования несимметричной относительно оптической оси «фотонной» струи и изменять форму «фотонной» струи.

Известны различные способы управления положением области фокусировки электромагнитного излучения на основе оптико-механических, электронных, электрооптических и микроэлектромеханических систем (MEMS) [Выскуб В.Г. Возможности и ограничения составных сканаторов // Вопросы радиоэлектроники, 2018, № 5, с. 74-82; Измерительные сканирующие приборы / В.Г. Выскуб, В.А. Канцеров, И.М. Кольцов и др. под ред. Б.С. Розова. М.: Машиностроение, 1980, 198 с.]. Например, известны способы управления положением области фокусировки электромагнитного излучения, включающие облучение электромагнитным излучением вращающиеся зеркальные ромбы или зеркальную пирамиду с пространственным расположением оси вращения [Патент Великобритании № 1393535, кл. G02B 26/10, 1975; Авторское свидетельство СССР № 1628041, кл. G02B 26/10, 1991; Авторское свидетельство СССР № 1582170, кл. G 02B 26/10, 1990].

Известен способ и устройство осуществляющее двумерное спиральное сканирование электромагнитным излучением [Т.May, G.Zieger, S.Anders, V.Zakosarenko, M.Starkloff, H.-G.Meyer, G.Thorwirth, E.Kreysa Passive stand-off Terahertz imaging with 1 Hertz frame rate. // Proc. SPIE, Vol.6949, 69490C (2008); DOI:10.1117/12.777952], включающее облучение электромагнитным излучением вращающегося зеркала, изменения в ходе вращения зеркала его угла наклона по отношению к оси вращения.

Известен способ линейного сканирования электромагнитным излучением [Патент РФ 20696], включающий облучение электромагнитным излучением плоского зеркала, совершении вращения зеркала вращательного движения вокруг оси вращения.

Известен способ изменения положения электромагнитного излучения в пространстве, включающего облучение электромагнитным излучением двух вращающихся с разной скоростью оптических клиньев, расположенных на одной оптической оси [Патент РФ 2650776].

Все известные устройства, реализующие известные способы сканирования электромагнитным излучением, имеют большие габариты и не предназначены для управления положением и формой фотонной струи.

Известен способ управления положением в пространстве областью фокусировки излучением [Patent US 4588994, Continuous ferrite aperture for electronic scanning antennas; Patent US 4480254, Electronic beam steering methods and apparatus; Patent US 4576441, Variable fresnel lens device; Patent US 5729239, Voltage controlled ferroelectric lens phased array; Patent US 6195059, Scanning lens antenna; Patent US 9591793, Deflecting device for electromagnetic radiation; Patent US 9490547, Electrical steering lens antenna], включающий изготовление линз из сегнетоэлектрических материалов, облучение их электромагнитным излучением, фокусировку излучения линзой и изменение показателя преломления сегнетоэлектрика в электрическом поле.

Основным свойством сегнетоэлектрика является зависимость величины его диэлектрической проницаемости от напряженности приложенного электрического поля, что позволяет создавать конструкции сканирующих линзовых антенн.

Недостатком данного способа является невозможность фокусировки излучения в субволновую область и невозможность формирования «фотонной» струи, так как показатель преломления сегнетоэлектрика существенно выше 2.

Известен способ изменения пространственного положения формируемой фотонной струи, включающий формирование электромагнитного излучения, изготовление диэлектрической частицы с плоской боковой поверхностью и равной толщины и с характерным размером, сравнимым с длиной волны падающего излучения, размещения непосредственно на боковой поверхности частицы, перпендикулярно падающему излучению металлического экрана на расстоянии от освещенного торца частицы, находящегося в диапазоне от 0 до L, где L - длина частицы вдоль направления падения на нее излучения [Патент РФ 191638].

Достоинством способа является возможность изменения пространственного положения формируемой «фотонной» струи (ее длины) без изменения относительного показателя преломления материала диэлектрической частицы.

Недостатком способа является невозможность формирования несимметричной относительно оптической оси «фотонной» струи и изменять форму «фотонной» струи.

Фотонный крюк является разновидностью фотонной струи. Фотонный крюк это искривленная фотонная струя на расстоянии порядка длины волны излучения [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].

Известен способ управления положением и формой фотонной струи, путем субволновой фокусировки излучения в криволинейную область в форме «фотонного» крюка, включающий формирование электромагнитного излучения, изготовления асимметричной однородной диэлектрической частицы с характерным размером, сравнимым с длиной волны освещающего частицу излучения и выполненной из материала с относительным показателем преломления не более 2, облучения электромагнитным излучением диэлектрической частицы и формированием на ее теневой поверхности «фотонного» крюка [Патент РФ 161207; Liyang Yue, O. V. Minin, Zengbo Wang, James N. Monks, A. S. Shalin, and I. V. Minin. Photonic hook: a new curved light beam // Optics Letters, Vol. 43, No. 4 / 15 February 2018, рр. 771-774].

Известен способ управления положением и формой фотонной струи, путем субволновой фокусировки излучения в криволинейную область в форме «фотонного» крюка, включающий формирование электромагнитного излучения, изготовления асимметричными композициями материалов диэлектрической частицы с характерным размером, сравнимым с длиной волны освещающего частицу излучения и выполненной из материала с относительным показателем преломления не более 2, облучения электромагнитным излучением диэлектрической частицы и формированием на ее теневой поверхности «фотонного» крюка [патент РФ, 195603; G. Gu, L. Shao, J. Song, J. Qu, K. Zheng, X. Shen, Z. Peng, J. Hu, X. Chen, M. Chen, and Q. Wu, Photonic hooks from Janus microcylinders // Opt. Express 27, 37771 (2019)].

Известен способ управления положением и формой фотонной струи, путем субволновой фокусировки излучения в криволинейную область в форме «фотонного» крюка, включающий формирование электромагнитного излучения, изготовления симметричными диэлектрической частицы с характерным размером, сравнимым с длиной волны освещающего частицу излучения и выполненной из материала с относительным показателем преломления не более 2, асимметричного облучения электромагнитным излучением диэлектрической частицы и формированием на ее теневой поверхности «фотонного» крюка [V. Minin, O. V. Minin, C.-Y. Liu, and H.-D. Wei, A. Karabchevsky. Simulation and experimental observation of tunable photonic nanojet and photonic hook upon asymmetric illumination of a mesoscale cylinder with mask // ArXiv: 2004.05911 (2020); C.-Y. Liu; H.-J. Chung, O.V. Minin, I.V. Minin. Shaping photonic hook via well-controlled illumination of finite-size graded-index micro-ellipsoid // Journal of optics 22, 085002 (2020)].

Известен способ управления положением и формой фотонной струи, путем субволновой фокусировки излучения в криволинейную область в форме «фотонного» крюка, включающий формирование электромагнитного излучения, изготовления анизотропной диэлектрической частицы с характерным размером, сравнимым с длиной волны освещающего частицу излучения и выполненной из искусственного материала с относительным показателем преломления не более 2, облучения электромагнитным излучением диэлектрической частицы и формированием на ее теневой поверхности «фотонного» крюка [Патент РФ 2788342].

Известен способ управления положением и формой фотонной струи, путем субволновой фокусировки излучения в криволинейную область в форме «фотонного» крюка, включающий формирование электромагнитного излучения, изготовления двух диэлектрических прямоугольных параллелепипедов, каждый из которых выполнен из материалов, обеспечивающих разный оптический контраст по отношению к окружающей среде и друг другу с характерным размером, сравнимым с длиной волны освещающего частицы излучения и выполненными из материала с относительным показателем преломления не более 2, размещения прямоугольных параллелепипедов параллельно друг другу большими боковыми поверхностями и разнесенными между собой на расстояние, облучаемых по нормали со стороны их меньшей боковой поверхности электромагнитной волной с плоским фронтом и формированием между прямоугольными параллелепипедами «фотонного» крюка [Патент РФ 207824].

Недостатком известных способов являются не возможность оперативного формирования не симметричной относительно оптической оси «фотонной» струи и изменять форму «фотонной» струи с помощью однородной изотропной сферической или цилиндрической мезоразмерной частицами.

В качестве прототипа выбран способ изменения пространственного положения «фотонной» струи по патенту РФ 202291, включающий формирование электромагнитного излучения, изготовления диэлектрической частицы с характерным размером, сравнимым с длиной волны падающего излучения и выполненной из материала с относительным показателем преломления не более 2, расположении несимметрично относительно оптической оси на одной из боковых сторон частицы, перпендикулярно падающему излучению металлического экрана, на расстоянии от освещенного торца частицы, находящегося в диапазоне от 0 до L, где L - длина частицы вдоль направления падения на нее излучения, облучения электромагнитным излучением диэлектрической частицы и формированием на ее теневой поверхности «фотонной» струи под углом к оптической оси.

Недостатком указанного способа является невозможность формировать наклонную «фотонную» струю для сферической диэлектрической частицы и оперативно изменять угол наклона формируемой «фотонной» струи к оптической оси и изменять форму «фотонной» струи.

Задачей настоящего изобретения является устранение указанного недостатка, а именно получение возможности управлять поперечным положением в пространстве формируемой «фотонной» струи и изменять форму «фотонной» струи.

Указанная задача достигается тем, что в способе управления положением и формой фотонной струи, включающем формирование электромагнитного излучения, изготовления диэлектрической частицы с характерным размером, сравнимым с длиной волны освещающего частицу излучения и выполненной из материала с относительным показателем преломления не более 2, облучения электромагнитным излучением диэлектрической частицы и формированием на ее теневой поверхности фотонной струи, новым является то, что диэлектрическую частицу выбирают сферической формы или в форме кругового цилиндра и осуществляют вращение частицы в плоскости перпендикулярной плоскости освещающей электромагнитной волны. Кроме того, что при выборе частицы в форме кругового цилиндра, освещающая электромагнитная волна падает на его боковую поверхность.

Известен эффект Саньяка – появления фазового сдвига встречных электромагнитных волн во вращающемся кольцевом интерферометре. Эффект проявляется и при кольцевом распространении волн неэлектромагнитной природы [Г.Б. Малыкин. Эффект Саньяка. Корректные и некорректные объяснения. Успехи физических наук, том 170, № 12 (2000)]. Эффект был описан Жоржем Саньяком в 1913 г. [Georges Sagnac. L’ether lumineux demontre par l’effet du vent relatif d’ether dans un interferometre en rotation uniforme, Comptes Rendus 157 (1913), S. 708-710]. Величина эффекта прямо пропорциональна угловой скорости вращения интерферометра, частоте излучения и площади, охватываемой путём распространения световых волн в интерферометре.

Известен эффект Магнуса, который назван в честь Генриха Густава Магнуса, немецкого физика. Генрих Густав Магнус описал эффект в 1852 году [G. Magnus (1852) Über die Abweichung der Geschosse, // Abhandlungen der Königlichen Akademie der Wissenschaften zu Berlin, pages 1–23]. Однако в 1672 году этот эффект описал Исаак Ньютон и правильно вывел причину, наблюдая за игроками в теннис в своем Кембриджском колледже [Philosophical Transactions of the Royal Society, том 7, страницы 3075-3087 (1671-1672)]. В этом письме Ньютон пытался объяснить преломление света, утверждая, что вращающиеся частицы света изгибаются при движении в среде точно так же, как вращающийся теннисный мяч изгибается при движении в воздухе.). В 1742 году Бенджамин Робинс, британский математик, исследователь баллистики и военный инженер, объяснил отклонения в траекториях мушкетных пуль в терминах эффекта Магнуса [Newton's and Robins' observations of the Magnus effect are reproduced in: Peter Guthrie Tait (1893) On the path of a rotating spherical projectile // Transactions of the Royal Society of Edinburgh, vol. 37, pages 427-440.].

Асимметричное электромагнитное поле, генерируемое вращением частицы, считается электромагнитным аналогом эффекта Магнуса (оптический/электромагнитный эффект Магнуса) [P. Hillion, Scattering by a rotating circular conducting cylinder i// Rep. Math. Phys. 41(2), 223-233 (1998); P. Hillion, Scattering by a rotating circular conducting cylinder ii // Rep. Math. Phys. 41(2), 235-244 (1998).]. Диэлектрическая частица может иметь цилиндрическую форму [D. Schieber, Some remarks on scattering by a rotating dielectric cylinder // J. Electromag. waves Appl. 2, 155-169 (1988). ] или сферическую форму [D. De Zutter, Scattering by a rotating dielectric sphere // IEEE Trans. Antennas Propag. 28(5), 643-651 (1980).].

Оптический эффект Магнуса был расширен до силы оптического излучения и крутящего момента [F. G. Mitri, Optical Magnus radiation force and torque on a dielectric layered cylinder with a spinning absorptive dielectric core // J. Opt. Soc. Am. A 39(3), 332-341 (2022).].

Известно, что в электромагнитном диапазоне длин волн поперечная составляющая силы будет проявляться, когда частица вращается вокруг своей центральной оси, даже если и падающая волна, и частица симметричны [D. Censor, Scattering of electromagnetic waves by a cylinder moving along its axis // IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 17(3), 154-158 (1969); J. Van Bladel, Electromagnetic fields in the presence of rotating bodies // Proc. IEEE 64(3), 301-318 (1976); P. Hillion, Scattering by a fast-spinning conducting cylinder // Phys. Essays 14(1), 33-36 (2001).].

Из технической литературы известно, что эффект Магнуса используется в ветровых электрогенераторах [Патенты РФ 2330988, 2118699, 86257], в роторных суднах [Патенты РФ 11208, 13965, 931587, 1142366, 1164150, 1214525, 1458273, 1533948], в авиастроении [https://fb.ru/article/391708/effekt-magnusa-i-ego-neveroyatnyie-primeneniya].

Заявляемый способ управления положением и формой фотонной струи обладает совокупностью существенных признаков, неизвестных из уровня техники для способов подобного назначения и неизвестных из доступных источников научной, технической и патентной информации на дату подачи заявки на изобретение.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 приведена схема устройства, реализующего способ управления положением и формой «фотонной» струи.

На фиг. 2 показаны результаты моделирования управления пространственным положением и формой «фотонной» струи, формируемой сферической мезоразмерной частицей в статике (а) и при вращении ее (б) с угловой скоростью 8,93×10¹² рад/с, на длине волны излучения 0,63 мкм и диметром сферы 4 мкм, c показателем преломления равным 1,33 и цилиндрической частицы диаметром 50 мкм с показателем преломления 1,57, при вращении ее с угловой скоростью 7,14×10¹¹ рад/с (в).

На фиг. 3 показаны результаты моделирования управления пространственным положением и формой «фотонной» струи, формируемой сферической мезоразмерной частицей в статике (а) и при вращении ее (б) с угловой скоростью 5,1×10¹² рад/с, на длине волны излучения 0,63 мкм и диаметром сферы 7 мкм, c показателем преломления равным 1,21, при вращении «фотонная» струя трансформируется в «фотонный» крюк.

Обозначения: 1 - падающее на частицу излучение от источника электромагнитное излучения, 2 - диэлектрическая слабопоглощающая частица в форме сферы, 3 - направление вращения сферической частицы, 4 - «фотонная» струя.

Известно, что однородная изотропная диэлектрическая сфера с показателем преломления не более 2, при облучении ее электромагнитным излучением с плоским волновым фронтом, формирует на ее теневой границе осесимметричную относительно оптической оси «фотонную» струю [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)]. Однако симметрия может быть нарушена, если частица вращается, что известно как эффект Саньяка и эффект Магнуса.

В результате моделирования падения плоской волны на вращающуюся диэлектрическую сферу показало, что скорость вращения сферы перпендикулярно падающей электромагнитной волны оказывает влияние на пространственное расположение фотонной струи, смещение фотонной струи от оптической оси устройства и формирование наклонной к оптической оси «фотонной» струи.

Было установлено, что при вращении однородной изотропной диэлектрической сферы с постоянной угловой скоростью ω≈С/R, где С - скорость света, R - радиус сферы, и облучении ее плоской волной нарушается симметрия электрический полей и на ее теневой поверхности формируется наклонная «фотонная» струя к оптической оси. Угол отклонения «фотонной» струи и ее смещение от оптической оси прямо пропорциональны угловой скорости вращения диэлектрической сферы и увеличиваются с увеличением характерного размера диэлектрической частицы.

Внутри вращающейся сферы может возникать резонанс в зависимости от размеров сферы, относительного показателя преломления и длины волны облучающего электромагнитного излучения. При резонансе нарушается симметрия электромагнитного поля внутри частицы, что еще больше приводит к увеличению угла наклона «фотонной» струи и значительно повышается максимальная интенсивность в области фокусировки.

Работа устройства происходит следующим образом. Сформированное электромагнитное излучение 1 с плоским волновым фронтом освещает однородную изотропную мезоразмерную диэлектрическую сферу 2. В результате вращения 3 диэлектрической сферы 2 нарушается симметрия электрического поля и в результате дифракции и интерференции волн на сфере формируется наклонная «фотонная» струя 4, которая смещена от оптической оси.

При использовании в качестве диэлектрической частицы в форме кругового цилиндра и в случае освещения ее боковой поверхности электромагнитной волной с плоским фронтом работа устройства происходит аналогично.

Из технической литературы известны способы вращения шарикообразных тел, например, вращение микрочастиц и биологических образцов с помощью вращающегося оптического пинцета на основе муара, при этом скорость и направление вращения полностью контролируются компьютером [Peng Zhang, Daniel Hernandez, Drake Cannan, Yi Hu, Shima Fardad, Simon Huang, Joseph C. Chen, Demetrios N. Christodoulides, and Zhigang Chen. Trapping and rotating microparticles and bacteria with moiré-based optical propelling beams // Biomedical optics express, 1 August 2012, Vol. 3, No. 8, р. 1891-1900]. За прошедшие годы было предложено множество методов для вращения захваченных частиц, включая изменение оптического углового момента [M. E. J. Friese, T. A. Nieminen, N. R. Heckenberg, and H. Rubinsztein-Dunlop. Optical alignment and spinning of laser-trapped microscopic particles // Nature 394(6691), 348-350 (1998)]; голографический оптический пинцет [J. E. Curtis and D. G. Grier. Structure of optical vortices // Phys. Rev. Lett. 90(13), 133901 (2003).]; специально разработанные электрические или магнитооптические манипуляторы [Z. Bryant, M. D. Stone, J. Gore, S. B. Smith, N. R. Cozzarelli, and C. Bustamante, Structural transitions and elasticity from torque measurements on DNA // Nature 424(6946), 338-341 (2003); L. Sacconi, G. Romano, R. Ballerini, M. Capitanio, M. De Pas, M. Giuntini, D. Dunlap, L. Finzi, and F. S. Pavone, Three-dimensional magneto-optic trap for micro-object manipulation // Opt. Lett. 26(17), 1359-1361 (2001).]; или более популярные вращающиеся несимметричные захватывающие лучи (получаемые с помощью поперечных лазерных мод более высокого порядка, цилиндрических линз, прямоугольных апертур, вращающихся интерференционных картин и т. д.) [F. W. Sheu, T. K. Lan, Y. C. Lin, S. Chen, and C. Ay, Stable trapping and manually controlled rotation of an asymmetric or birefringent microparticle using dual-mode split-beam optical tweezers // Opt. Express 18(14), 14724-14729 (2010); S. Sato, M. Ishigure, and H. Inaba, Optical trapping and rotational manipulation of microscopic particles and biological cells using higher-order mode Nd: YAG laserbeams // Electron. Lett. 27(20), 1831-1832 (1991); A. T. O’Neil and M. J. Padgett, “Rotational control within optical tweezers by use of a rotating aperture // Opt. Lett. 27(9), 743-745 (2002).].

Известны различные механизмы для вращения шаров, например, [Патенты РФ 224232, 684236, 2308331, 2562587], способ вращения микрочастиц в поле гидроциклона [Патент РФ 2665344], исследовалось вращательное движение частиц вихревым потоком при условии небольших чисел Рейнольдса для частиц и при турбулентном потоке с высокими числами Рейнольдса для частиц и т.д.

Достигаемый в таком способе управления положением «фотонной» струи» технический результат выражается в возможности оперативного изменения пространственного положения формируемой «фотонной» струи пропорционально скорости вращения диэлектрической сферической частицы без изменения относительного показателя преломления материала диэлектрической частицы.

Изобретение относится к области оптического и СВЧ приборостроения и касается способа управления положением и формой фотонной струи. Способ включает формирование электромагнитного излучения, изготовление диэлектрической частицы с характерным размером, сравнимым с длиной волны освещающего частицу излучения, и выполненной из материала с относительным показателем преломления не более 2, облучение электромагнитным излучением диэлектрической частицы и формирование на ее теневой поверхности фотонной струи. Диэлектрическую частицу выбирают сферической формы или в форме кругового цилиндра и осуществляют вращение частицы в плоскости, перпендикулярной плоскости освещающей электромагнитной волны. Технический результат заключается в обеспечении возможности управлять поперечным положением и формой в пространстве формируемой фотонной струи. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ управления положением и формой фотонной струи, включающий формирование электромагнитного излучения, изготовление диэлектрической частицы с характерным размером, сравнимым с длиной волны освещающего частицу излучения, и выполненной из материала с относительным показателем преломления не более 2, облучение электромагнитным излучением диэлектрической частицы и формирование на ее теневой поверхности фотонной струи, отличающийся тем, что диэлектрическую частицу выбирают сферической формы или в форме кругового цилиндра и осуществляют вращение частицы в плоскости, перпендикулярной плоскости освещающей электромагнитной волны.

2. Способ управления положением и формой фотонной струи по п.1, отличающийся тем, что при выборе частицы в форме кругового цилиндра, освещающая электромагнитная волна падает на его боковую поверхность.