Способ фокусировки электромагнитного излучения Российский патент 2024 года по МПК G02B27/09 

Настоящее изобретение относится к способам фокусировки электромагнитного излучения с использованием диэлектрических линз, а более точно, касается шаровой однородной диэлектрической линзы и может использоваться в капельных микроскопах.

Известны разнообразные сферические линзы из диэлектрика в форме шара с переменным показателем преломления, например, [Люнебург, Р. К. (1944). Математическая теория оптики. Провиденс, Род-Айленд: Университет Брауна. Стр. 189-213; Antenna Enqineerinq Handbook, Mc. Grow-Hill Book Co. New York, 1984; Skolnik M.J. Introduction to radar Systems Mc. Grow-Hill Book Co. New York, 1980; Schrank H.E. In. Proc. 7th Electrical Insulation. Conf. New York, 1967, 15 19/x; S.P. Morgan. General solution of the Luneberg lens problem. Jour. Appl. Physics, 29(9), 1958, 1358; Зелкин Е.Т., Петрова Р.А. Линзовые антенны. М. Сов. Радио. 1974 280 с.; В. В. Ахияров. Исследование линзовых антенн из неоднородного диэлектрика методом переболического уравнения // Журнал Радиоэлектроники, N12, 2015, с. 1-20; Беляев М.П., Пастернак Ю.Г., Пендюрин В.А., Рогозин Е.А., Рогозин Р.Е. Сравнительный анализ конструкций сферических линз Люнеберга // Радиотехника. 2021. Т. 85. № 8. С. 91−100].

Достоинством шаровых линз из диэлектрика с переменным показателем преломления является их практически неограниченная широкоугольность, многоугольность и широкополосность. Такие устройства могут быть изготовлены для использования с электромагнитным излучением от видимого света и инфракрасного излучения до радиоволн.

Недостатком шаровой линзы из диэлектрика с переменным показателем преломления является их сложность.

Известны однородные шаровые акустические линзы, состоящие из тонкой звукопроводящей оболочки заполненной углекислым газом [Т. Tarnoczy. Sound focussing lenses and waveguides // Ultrasonics, July-September, 1965, p. 115-127; Патент США №3483504, Donald L. Folds, David H. Brown, Henry L. Warner. Transducer, Aug. 23, 1967, patented Dec. 9, 1969; Патент РФ №778812 B.A. Кирдяков, Б.С. Суриков, Ю.И. Громов, А.Г. Семенов. Акустическая линза, заяв. 10.11.78, опуб. БИ №42, 15.11.80 г.; US Patent N 1895442, Willian Rushton Bowker, Sound Control and Transvission System, patented Jan. 31, 1933, Application March 13, 1930].

Известна акустическая линза, описанная в [Derek С. Thomas, Kent L. Gee, and R. Steven Turley. A balloon lens: Acoustic scattering from a penetrable sphere // American Journal of Physics 77, 197 (2009)], содержащая оболочку из податливого материала, заполненного газом, при этом оболочка выполнена в виде сферы с диаметром не менее длины волны излучения в окружающем пространстве линзы, а заполняемое вещество оболочки линзы имеет скорость звука относительно скорости звука в окружающей среде, равного 0,752.

Известные акустические линзы позволяют осуществить фокусировку акустического излучения в газе и жидкости.

Недостатком шаровых акустических линз является невысокая эффективность фокусировки излучения, ограниченное количество материалов с необходимыми параметрами и используемых в шаровых линзах.

Взаимодействие излучения видимого и инфракрасного диапазонов с прозрачными шарами достаточно хорошо изучено и известно давно [Минин И.В., Минин О.В. Фотонные струи в науке и технике // Вестник СГУГиТ, Т. 22, № 2, 2017, с. 212-234.; 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], было известно их фокусирующее действие.

Внимание ученых прозрачные сферические частицы привлекли достаточно давно. Английский епископ, Роберт Гроссетест (1175-1253), описал фокусирующие свойства шаровой линзы (сферический стеклянный сосуд заполненный водой) [C. Crombie. (1971). Robert Grosseteste and the Origins of Experimental Science. Oxford: Clarendon Press, 369 р.].

Известен способ фокусировки электромагнитного излучения, включающий источник электромагнитного излучения, формирующий электромагнитную волну с плоским фронтом, облучающей диэлектрическую однородной шаровую линзу с диаметром, сравнимым с длиной волны падающего излучения, выполненную из слабопоглощающего материала с показателем преломления менее 2, обладающей свойствами сверхразрешения и расположенной вдоль направления распространения излучения [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; E. McLeod and V. Arnold, Subwavelength direct-write nanopatterning using optically trapped microspheres // Nature Nanotechnology 3, 413-417 (2008).; V. N. Astratov, A. Darafsheh, M. D. Kerr, K. W. Allen, N. M. Fried, A. N. Antoszyk, and H. S. Ying, Photonic nanojets for laser surgery // SPIE Newsroom 12, 32-34 (2010).; 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); Darafsheh A, Limberopoulos NI, Derov JS, W DE Jr, Astratov VN. Advantages of microsphere-assisted super-resolution imaging technique over solid immersion lens and confocal microscopies Advantages of microsphere-assisted super-resolution imaging technique over solid immersion lens and confocal microscopies. Appl Phys Lett. 2014;061117. doi: 10.1063/1.4864760].

Недостатком шаровой мезоразмерной диэлектрической линзы является низкая интенсивность излучения в области фокуса, ограниченное количество материалов с необходимыми параметрами используемых в шаровых линзах.

Известны шаровые однородные линзы, предназначенные для работы в микроволновом диапазоне, например, [T.C. Cheston, E.J. Luoma. Constant-K Lenses // APL Technical Digest, March-April 1963, 8-11; G. Bekefi, G.W. Farnell. A Homogeneous Dielectric Sphere as a Microwave Lens // Can. J. Phys. 34, 1956, 790-803.; R.N. Assaly. Experimental Investigation of a Homogeneous Dielectric Sphere as a Microwave Lens // Can. J. Phys., 36, 1958, 1430-1435].

Недостатком шаровой мезоразмерной микроволновой диэлектрической линзы является низкая интенсивность излучения в области фокуса, ограниченное количество материалов с необходимыми параметрами используемых в шаровых линзах.

Известен способ фокусировки электромагнитного излучения по патенту РФ 2790963, в котором с помощью источника монохроматического когерентного электромагнитного излучения формируют плоскую электромагнитную волну, которой освещают шарообразную однородную мезомасштабную линзу, выполненную из материала с относительным показателем преломления относительно показателя преломления окружающей среды, находящимся в диапазоне, равном 1,9≤n<2, и относительным диаметром, равным D/λ<30, путем изменения частоты падающей электромагнитной волны или с помощью выбора размера диаметра мезоразмерной линзы в мезоразмерной линзе возбуждают суперрезонансные моды Ми высокого порядка, при этом электромагнитное излучение формирует фокальное пятно с субволновым размером и высоким значением интенсивности электромагнитного поля.

Достоинством способа являются обеспечение высокого пространственного разрешения и высокой интенсивности электромагнитного поля в области фокуса шарообразной однородной мезомасштабной линзы.

Недостатком способа является его резонансный характер, ограниченное количество материалов с необходимыми параметрами используемых в шаровых линзах.

Известен способ фокусировки электромагнитного излучения, заключающийся в облучении электромагнитным излучением шаровой линзы с характерным размером не менее длины волны освещающего излучения, выполненной из прозрачного для освещающего излучения материала ядра, с максимальным относительным показателем преломления по отношению к показателю преломления окружающей среды не более 2 и одной или нескольких оболочек с показателем преломления менее показателя преломления ядра шаровой линзы и формирования непосредственно на ее теневой поверхности области фокусировки излучения [S.-C. Kong, A. Taflove, and V. Backman, Quasi one-dimensional light beam generated by a graded-index microsphere // Opt. Express 17(5), 3722–3731 (2009); César Méndez Ruiz and Jamesina J. Simpson. Detection of embedded ultra-subwavelength-thin dielectric features using elongated photonic nanojets // Optics Express Vol. 18, Issue 16, pp. 16805-16812 (2010); Ю. Э. Гейнц, А. А. Землянов, Е. К. Панина, Эффект «фотонной наноструи» в многослойных микронных сферических частицах, Квантовая электроника, 2011, том 41, номер 6, 520–525]. Основной идеей способа является плавное согласование коэффициента преломления ядра шаровой линзы с окружающей средой, т.е. создание градиентной диэлектрической сферической линзы.

Недостатком способа является невозможность динамического управления параметрами области фокусировки излучения, ограниченное количество материалов с необходимыми параметрами и используемых в шаровых линзах.

Известен способ построения изображения в капельном микроскопе на основе струйно-капельных оптических измерительных систем (СКОИС), в которых капля и/или капельный поток применяются как управляемые оптические элементы [Леун Е. В. Вопросы построения струйно-капельных оптических измерительных систем: принцип и режимы работы, возможности и основные характеристики // Омский научный вестник. 2018. № 6 (162). С. 189–195. DOI: 10.25206/1813-8225-2018-162-189-195; Леун Е. В. Вопросы построения струйно-капельных оптических измерительных систем: регистрация сигналов акустической эмиссии и измерение температуры в зоне резания при точении, сверлении и фрезеровании // Омский научный вестник. 2019. № 1 (163). С. 55–61. DOI 10.25206/1813-8225-2019-163-55-61; Леун Е. В. Электрокаплеструйный микроскоп для активного контроля неровностей поверхности изделия // Динамика систем, механизмов и машин: материалы XII Междунар. IEEE науч.-техн. конф. 2018. Т. 6, № 4. С. 39–47; E. Leun. Droplet microscope for controlling product surface irregularities based on the jet-droplet optical measurement system // AIP Conference Proceedings 2171, 110014 (2019); https://doi.org/10.1063/1.5133248 Published Online: 15 November 2019], заключающийся в формировании направленного на объект исследования одного гидропотока сформированного на основе монодисперсного когерентного капельного потока, создаваемого под давлением в емкости, заполненной жидкостью, с соплом, использовании капли жидкости, летящей к объекту исследования в качестве сферической оптической линзы для передачи изображения поверхности этого объекта, синхронизации работы регистратора с такой микролинзой при внешнем импульсном освещении и осуществлении фоторегистрации изображения объекта исследования. В этом способе капля жидкости представляет собой оптическую фокусирующую линзу с синхронной регистрацией изображения, т.е. фактически реализующий капельный микроскоп. Летящие капли жидкости собирают оптическое излучение, отраженное поверхностью объекта исследования, направляя его на регистратор, выполненный в виде стеклянной линзы, освещении ПЗС-матрицы и получения цифрового выходного сигнала преобразованного изображения на вход схемы управления.

Размеры капель могут быть до ≈ 100-1000 мкм, их сферичность и однородность по размеру не хуже 0,5 % и 0,1 %.

Недостатком способа является невозможность динамического управления параметрами области фокусировки излучения, ограниченное количество материалов с необходимыми параметрами и используемых в шаровых линзах.

В качестве прототипа выбран способ фокусировки электромагнитного излучения [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)], в котором с помощью источника монохроматического когерентного электромагнитного излучения формируют плоскую электромагнитную волну, которой освещают шаровую диэлектрическую однородную мезомасштабную линзу, выполненную из материала прозрачного для освещающего излучения и с относительным показателем преломления относительно показателя преломления окружающей среды не более 2, с диаметром более длины волны освещающего излучения.

Недостатком шаровой мезоразмерной микроволновой диэлектрической линзы является низка интенсивность излучения в области фокуса, ограниченное количество материалов с необходимыми параметрами и используемых в шаровых линзах.

Задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков, а именно разработка способ динамической фокусировки электромагнитного излучения шаровой однородной мезомасштабной линзы с высокой интенсивностью электромагнитного поля в области фокуса, при расширении номенклатуры применяемых материалов.

Указанная задача достигается тем, что в способе фокусировки электромагнитного излучения, в котором с помощью источника монохроматического когерентного электромагнитного излучения формируют плоскую электромагнитную волну, которой освещают шаровую диэлектрическую однородную мезомасштабную линзу, выполненную из материала прозрачного для освещающего излучения и с относительным показателем преломления относительно показателя преломления окружающей среды не более 2, с диаметром более длины волны освещающего излучения, новым является то, что шаровая линза выполнена из воды и симметрично охлаждается с образованием оболочки с коэффициентом преломления менее коэффициента преломления материала линзы или шаровая линза выполнена из материала который при симметричном нагреве образует оболочку с коэффициентом преломления менее коэффициента преломления материала шаровой линзы и шаровая линза симметрично нагревается. Кроме того, в качестве материала диэлектрической шаровой линзы, который при симметричном нагреве образует оболочку с коэффициентом преломления менее коэффициента преломления материала шаровой линзы, используют лед, воск, парафин, полиолефины. Кроме того, шаровая линза размещается на подложке с супергидрофобной поверхностью. Кроме того, шаровая линза размещают в пространстве за счет эффекта левитации.

Авторам неизвестны технические решения, содержащие сходные отличительные признаки и их использование для заявленной цели - увеличения интенсивности электромагнитного поля в области фокуса.

Фотонные наноструи - это узкая область фокусировки, формируемая на теневой границе диэлектрической частицы со сферической формой поверхности, с относительно небольшими относительными показателями преломления (N≤2), с протяженностью более длины волны излучения λ и минимальной шириной порядка λ/3-λ/4 [Y. F. Lu, L. Zhang, W. D. Song, Y. W. Zheng, and B. S. Luk’yanchuk, Laser writing of a subwavelength structure on silicon (100) surfaces with particle enhanced optical irradiation // JETP Lett. 72(9), 457–459 (2000); S. M. Huang, M. H. Hong, B. S. Luk'yanchuk, Y. W. Zheng, W. D. Song, Y. F. Lu, et al., Pulsed laser-assisted surface structuring with optical near-field enhanced effects // Journal of Applied Physics, vol. 92, pp. 2495-2500, Sep 2002; M. Mosbacher, H. J. Munzer, J. Zimmermann, J. Solis, J. Boneberg, and P. Leiderer, Optical field enhancement effects in laser-assisted particle removal // Applied Physics a-Materials Science & Processing, vol. 72, pp. 41-44, Jan 2001; Y. Lu, S. Theppakuttai, and S. C. Chen, Marangoni effect in nanosphere-enhanced laser nanopatterning of silicon // Applied Physics Letters, vol. 82, pp. 4143-4145, Jun 2003].

Термин фотонная струя появился несколько позднее [Z. G. Chen, A. Taflove, and V. Backman. Photonic nanojet enhancement of backscattering of light by nanoparticles: a potential novel visible-light ultramicroscopy technique // Optics Express, vol. 12, pp. 1214-1220, Apr 2004].

Фотонные струи имеют потенциально важное применение в различных областях, например, для обнаружения и манипулирования наноразмерными объектами, для устройств с субдифракционным разрешением, микроскопов, нанолиторгафии, для наноструктуирования поверхности, в биофизике, для визуализации клеточных структур, в неразрушающем контроле и т.п. Наиболее ярким примером использование эффекта фотонной струи является применение его в оптическом микроскопе [Lianwei Chen, Yan Zhou, Mengxue Wu and Minghui Hong Lianwei Chen, Yan Zhou, Mengxue Wu and Minghui Hong. Remote-mode microsphere nano-imaging: new boundaries for optical microscopes // Opto-Electronic Advances 1, 170001 (2018)].

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

Функциональная схема (вариант 1) этого устройства с охлаждением материала диэлектрической сферы представлена на фиг. 1.

Функциональная схема (вариант 2) этого устройства с нагревом материала диэлектрической сферы представлена на фиг. 2.

На фиг. 3 приведены результаты математического моделирования образования твердой ледяной оболочки вокруг шаровой линзы из воды, находящейся в воздухе и с диаметром 6 мкм в процессе ее охлаждения при облучении ее электромагнитным излучением с длиной волны 589 нм, показатель преломления воды принимался равным N₁=1,334, льда N₁=1,301, толщина оболочки шаровой линзы δ; а – δ=0 (шаровая линза из воды), б – δ=0,1λ (формирование горячей точки); в – δ=0,51λ; г – δ=0,68λ; д – δ=1,53λ; е – δ=3λ (шаровая линза изо льда).

На фиг. 4 приведено распределение относительной интенсивности электрического поля в фокусе шаровой линзы из воды вдоль оптической оси линзы от толщины оболочки изо льда изменяющейся от 0,03λ до 0,68λ с шагом 0,17λ (А) и от 0,69λ до 1,53λ (Б).

На фиг. 5 приведен пример результатов математического моделирования образования пористой ледяной оболочки вокруг шаровой линзы из воды, находящейся в воздухе и с диаметром 6 мкм в процессе ее охлаждения при облучении ее электромагнитным излучением с длиной волны 589 нм, показатель преломления воды принимался равным N₁=1,334, пористого льда N₁=1,19, толщина оболочки шаровой линзы δ=1,17λ.

На фиг. 6 приведено сравнение распределений относительной интенсивности электрического поля в фокусе шаровой линзы из воды от толщины оболочки изо льда и пористой ледяной оболочки для различных толщин оболочки.

Обозначения: 1 – освещающее электромагнитное излучение, 2 – шаровая мезоразмерная диэлектрическая линза, 3 – ядро линзы с показателем преломления N₁≤2, 4 – оболочка линзы с показателем преломления N₂<N₁, 5 – подложка с супергидрофобной поверхностью, 6 – симметричное охлаждение шаровой линзы, 7 – область фокусировки, 8 – устройство левитации, 9 – симметричный нагрев шаровой линзы.

Работа устройства происходит следующим образом.

Вариант 1. Известно, что для капель воды субмиллиметровых размеров, замерзающих снаружи, начинает играть роль поверхностное натяжение. При этом капли воды с радиусом менее 50 мкм не разрушаются (не взрываются) и образуется шаровая частица из воды с жесткой ледяной оболочкой [Sander Wildeman, Sebastian Sterl, Chao Sun, and Detlef Lohse. Fast Dynamics of Water Droplets Freezing from the Outside In // Physical Review Letters, 118, 084101 (2017)]. Таким образом, в холодной внешней среде внешний слой каждой капли воды быстро охлаждается и затвердевает, заключая в себе сердцевину из жидкости. При этом использовалось симметричное, радиально направленное внутрь, замерзание капель воды.

Капелька дегазированной пресной воды, образующая шаровую мезоразмерную однородную диэлектрическую линзу 2, размещается на подложке с супергидрофобной поверхностью 5 и при этом условии сохраняет свою шаровую форму и начинает симметрично охлаждаться 6. Симметричное охлаждение 6 шаровой линзы 2 обеспечивает симметрию формируемой твердой ледяной оболочки 4.

Для охлаждения материала шаровой линзы могут применяться известные способы, например [Холод искусственный // Большая советская энциклопедия: [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — М.: Советская энциклопедия, 1969—1978], способ охлаждения при изменении агрегатного состояния тел (водный лед, аммиак, хладагенты R12, R22, R502, углекислоту и т. д.), способ охлаждения при расширении газов, способ охлаждения с помощью дросселирования, способ испарительного охлаждения, способ охлаждения десорбцией и т.п.

Для охлаждения капель воды может использоваться метод, описанный в работе [Sander Wildeman, Sebastian Sterl, Chao Sun, and Detlef Lohse. Fast Dynamics of Water Droplets Freezing from the Outside In // Physical Review Letters, 118, 084101 (2017)]. Капельку чистой дегазированной воды помещали на предметное стекло в центре небольшой вакуумной камеры. Стеклянные окна на передней и задней сторонах камеры обеспечивали беспрепятственный обзор капли. Чтобы капля сохраняла свою шаровую (сферическую) форму, предметному стеклу придавали супергидрофобность, покрыв его слоем свечной сажи [X. Deng, L. Mammen, H.-J. Butt, and D. Vollmer, Candle soot as a template for a transparent robust superamphiphobic coating // Science 335, 67 (2012)]. Cупергидрофобность — это смачиваемость поверхности водой и определяется углом, который образуется между поверхностью материала и поверхностью капли в точке их соприкосновения. Если угол больше 140° (форма капли близка к сфере) — материал супергидрофобный и капли скатываются сферами не оставляя следов [https://www.corrosio.ru/cards/supergidrofobnoe-pokryitie; Патент РФ 2601339 C2, Супергидрофобные поверхности].

Когда камера откачивается, капля воды быстро охлаждается до температуры ниже нуля за счет испарительного охлаждения. Чтобы контролировать температуру капель, дно вакуумной камеры было покрыто слоем льда, поддерживаемого при заданной температуре с помощью охлаждающего контура, встроенного в дно камеры. Установившаяся температура переохлажденной капли, в свою очередь, определяется равновесием между этим буферным давлением и давлением паров жидкой воды, которое имеет место при несколько более низкой температуре.

Таким образом, формируется шаровая диэлектрическая линза 2, состоящая из жидкого ядра 3 и твердой оболочки 4 изо льда.

Из технической литературы известно, что показатель преломления воды больше, чем показатель преломления льда, а при формировании пористого льда эта разница еще увеличивается.

Пористостью льда называется отношение общего объема пузырьков и полостей к объему чистого, лишенного пузырьков льда, выраженное в процентах. Удельный вес (плотность) чистого пресноводного льда, лишенного пузырьков, составляет 917,6 кг/м³ при температуре 0 °С и 937,7 кг/м³ при температуре минус 25 °С. В реальных условиях эти величины уменьшаются за счет пузырьков воздуха и полостей во льду. По этой же причине плотность льда всегда меньше плотности воды.

Удельный вес чистого льда при 0 °С и давлении 0,1 МПа составляет 916,8 кг/м³, а удельный объем – 1,0908 см³/г, тогда как для воды удельный вес и объем равны соответственно 999,863 кг/м³ и 1,000132 см³/г. Расширение объема воды при замерзании составляет 9 %. Отклонение от указанных величин свидетельствует о наличии во льду включений (пор, полостей и примесей).

Зависимость удельного веса льда от его пористости, приведены в табл. 1 [Современные методы разрушения льда / А. П. Куляшов [и др.]. - М.: Спутник, 2005. - 135 с.].

Таблица 1
Зависимость удельного веса льда от его пористости Пористость,% 89 78 67 56 46 35 24 13 2 Плотность, г/м³ 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

Композиционный материал, состоящий изо льда с включениями пор, заполненных воздухом относится к матричным смесям и его диэлектрическая проницаемость хорошо описываются формулой Лихтенеккера [Е. Е. Чигряй, И. П. Никитин. Свойства композита полистирол-рутил на миллиметровых волнах // Журнал Радиоэлектроники, N9, 2018, DOI 10.30898/1684-1719.2018.9.20]:

Ln ε = W₁Ln ε₁+ W₂Ln ε₂

Здесь ε диэлектрическая проницаемость композиции, ε₁ и ε₂ диэлектрические проницаемости компонент, W₁ и W₂ объемное содержание наполнителя и матрицы.

Таким образом, с увеличением пористости льда его показатель преломления уменьшается.

При облучении шаровой диэлектрической линзы электромагнитным излучением 1, для которого материал линзы является прозрачным, на теневой поверхности сферической линзы 2 формируется область фокусировки излучения 7. Параметры области фокусировки 7, например, ее протяженность длина зависят от относительного показателя преломления ядра 3 и оболочки 4, а так же толщины оболочки 4. Меняя эти параметры сферической линзы 2 во времени, динамически изменяется длина фотонной струи 7. Например, в зависимости от толщины оболочки шаровой линзы область фокуса изменяется на 7 %, а интенсивность электромагнитного излучения на 45 %. Повышение интенсивности электромагнитного поля в фокусе достигается за счет лучшего согласования показателя преломления ядра шаровой линзы с окружающим пространством.

Вариант 2 аналогичен варианту 1, но применяется твердый материал шаровой диэлектрической линзы 2, например, парафин и линза 2 симметрично нагревается 9 с образованием жидкой оболочки 4 с показателем преломления материала менее показателя преломления твердого ядра 3. Шаровая форма линзы сохраняется за счет сил поверхностного натяжения расплавленной оболочки 4.

Из технической литературы [Измерения на миллиметровых и сумиллиметровых волнах / под ред. Р.А. Валитова, Б.И. Макаренко. – М. Сов. Радио, 1984. – 296 с.] известно, что существует зависимость коэффициента преломления полиолефинов, фторопласта, парафина, воска, и т.д. от плотности материалов. Полиолефины — это полимеры (например, полиэтилен, полипропилен, полиметилпентен) получаемые из низкомолекулярных веществ — олефинов. Например, для полиэтилена, полипропилена зависимость коэффициент преломления от плотности материал хорошо описывается зависимостью:

n=[2,27+2,01(ρ–0,92)]^0.5,

где ρ – плотность, г/см³.

Плотность большинства веществ уменьшается с увеличением температуры. Например [Саяхов Ф.Л., Хабибуллин И.Л., Насыров Н.М., Имашев Н.Ш. Температурное поле в пористой среде при воздействии электромагнитных полей с учетом фазовых переходов насыщающей фазы // Физико-химическая гидродинамика: Сб. ст. Уфа, 1985. – с. 44-51], зависимость диэлектрической проницаемости нефтяного парафина от температуры в интервале температур от 10 до 50 °С аппроксимировалась формулой:

ε=2,3+0,073Т,

а в интервале от 50 до 80 °С:

ε=3,922–0,0036Т.

Температура плавления парафина находится в диапазоне 50–54 °С.

Из технической литературы известны различные способы, которые могут быть применены для нагрева материала шаровой линзы, например, способ электрического нагрева проводников высокого сопротивления, способ инфракрасного нагрева, способ индукционного нагрева, способ высокочастотного нагрева, способ лазерного нагрева и т.д.

При этом шаровые мезоразмерные диэлектрические линзы 2, фокусирующие электромагнитное излучения в область фокуса 7 могут поддерживаться в пространстве с помощью различных известных устройств левитации 8, например, с помощью эффекта аэродинамической левитацией или ультразвуковой акустической левитацией [В. Уразаев, Техническая левитация: обзор методов // Технологии в электронной промышленности, № 6, 2007, с. 10-17].

Изобретение относится к области оптики и касается способа фокусировки электромагнитного излучения. При осуществлении способа с помощью источника монохроматического когерентного электромагнитного излучения формируют плоскую электромагнитную волну, которой освещают шаровую диэлектрическую однородную мезомасштабную линзу, выполненную из материала с относительным показателем преломления относительно показателя преломления окружающей среды не более 2 и с диаметром более длины волны освещающего излучения. Шаровая линза выполнена из воды и симметрично охлаждается с образованием оболочки с коэффициентом преломления менее коэффициента преломления материала линзы или шаровая линза выполнена из материала, который при симметричном нагреве образует оболочку с коэффициентом преломления менее коэффициента преломления материала шаровой линзы, и шаровая линза симметрично нагревается. Технический результат заключается в обеспечении фокусировки электромагнитного излучения шаровой однородной мезомасштабной линзой с высокой интенсивностью электромагнитного поля в области фокуса и расширении номенклатуры применяемых материалов. 3 з.п. ф-лы, 6 ил., 1 табл.

1. Способ фокусировки электромагнитного излучения, в котором с помощью источника монохроматического когерентного электромагнитного излучения формируют плоскую электромагнитную волну, которой освещают шаровую диэлектрическую однородную мезомасштабную линзу, выполненную из материала, прозрачного для освещающего излучения и с относительным показателем преломления относительно показателя преломления окружающей среды не более 2, с диаметром более длины волны освещающего излучения, отличающийся тем, что шаровая линза выполнена из воды и симметрично охлаждается с образованием оболочки с коэффициентом преломления менее коэффициента преломления материала линзы или шаровая линза выполнена из материала, который при симметричном нагреве образует оболочку с коэффициентом преломления менее коэффициента преломления материала шаровой линзы, и шаровая линза симметрично нагревается.

2. Способ фокусировки электромагнитного излучения по п. 1, отличающийся тем, что в качестве материала диэлектрической шаровой линзы, который при симметричном нагреве образует оболочку с коэффициентом преломления менее коэффициента преломления материала шаровой линзы, используют лед, воск, парафин, полиолефины.

3. Способ фокусировки электромагнитного излучения по п. 1, отличающийся тем, что шаровая линза размещается на подложке с супергидрофобной поверхностью.

4. Способ фокусировки электромагнитного излучения по п. 1, отличающийся тем, что шаровую линзу размещают в пространстве за счет эффекта левитации.