СПОСОБ СОЗДАНИЯ СИЛЬНЫХ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ В МЕЗОРАЗМЕРНЫХ ЧАСТИЦАХ Российский патент 2024 года по МПК G01R33/38 G02B27/16 

Изобретение относится к способам создания сильных магнитных полей и увеличения числа «горячих» точек в сферических диэлектрических мезоразмерных частицах, может быть применено в физическом эксперименте, в том числе для моделирования сверхсильных магнитных полей в космическом пространстве, моделирования астрофизических процессов в «лабораторных условиях» и т.д. Например, магнитные поля в нейтронных звездах достигают величины 10¹¹ Тесла [Beskin, V. S., Balog, A., Falanga, M. & Treumann, R. A. Magnetic fields at largest universal strengths: overview. // Space Sci. Rev. 191, 1-12 (2015)].

Сферические мезоразмерные диэлектрические частицы при возбуждении в них мод Ми высокого порядка позволяют существенно увеличить как степень воздействия электромагнитного излучения на среду, так и влияние среды на электромагнитную волну. С другой стороны, получили распространение мощные фемтосекундные лазерные импульсы. Это позволяет использовать нестационарное сверхбыстрое формирование сверхсильных электрических и магнитных полей для решения различных фундаментальных задач, например, при изучении линейных и нелинейных магнитооптических эффектов: Фарадея, Коттона - Мутона (Фохта), Керра и т.д.

Получение сверхсильных магнитных полей в лабораторных условиях является сложной и актуальной задачей [Kolm, U. & Freeman, A. Intense magnetic fields. // Sci. Am. 212, 66 (1965); Sakharov, A. D. Magnetoimplosive generators. // Phys. Uspekhi 9, 294-304 (1966); K. Coyne, Magnets from Mini to Mighty, // Magnet Lab U (2008); Лагутин А.С., Ожогин В.Л. Сильные импульсные магнитные поля в физическом эксперименте. М.: Энергоатомиздат, 1988. 192 с.]. Самые сильные непрерывные магнитные поля силой 45 Тл были созданы с помощью постоянного магнита внутри сверхпроводящего магнита. Магнитные поля выше этого уровня создавались только в импульсных режимах, когда сильные электрические токи передавались через соленоиды различной конструкции или когда магнитный поток внутри замкнутой проводящей катушки сжимался внешними силами.

Для создания мощных электромагнитных полей существуют различные методы. Например, известен способ передачи энергии индуктивной нагрузки от генератора ударной мощности и устройство для его осуществления [Патент №192922 РФ, Н03К 17/64, Бюл. №6, 02.03.1967]. Оно состоит из генератора тока, индуктивной нагрузки - соленоида, блока накопительных конденсаторов и двух контактно-вентильных коммутаторов. Генератор тока через контакт одного коммутатора соединен параллельно с конденсаторной батареей, которая через контакт второго коммутатора также соединена параллельно с соленоидом.

Также известен источник импульсного магнитного поля [Патент №2331979 РФ, Н03К 17/64, Бюл. №23, 20.08.2008], который содержит источник питания, выключатель питания, распределитель тока, блок запуска генератора тока, накопительные конденсаторы, генераторы тока, поле образующую систему, которая включает не менее двух соленоидов и выключатель управления. Блок запуска генераторов тока выполнен на твердотельном реле.

В известных способах магнитное поле обеспечивают путем пропускания постоянного тока через обмотки катушек по проводам.

Например, простое аксиально-симметричное тороидальное поле может быть создано током, протекающим по проводникам катушки, равномерно навитой на поверхность круглого тороида.

Недостатком известных способов является создание недостаточно сильных магнитных полей и невозможность получения сильных магнитных полей в мезоразмерных диэлектрических частицах.

Известны способы и устройства преобразования энергии пучка заряженных частиц (Патенты РФ на полезную модель № 15417, № 84169; Патент РФ № 2508595, Способ преобразования и аккумулирования энергии с использованием пучка заряженных частиц и устройство для его осуществления; В.С. Никитин. Технологии будущего. Изд. «Техносфера», Москва, 2010, с.162-169), в которых осуществляется инжектирование ускоренных заряженных частиц в вакуумированный объем волновода с формированием в этом объеме замкнутого контура с током, создаваемым пучком частиц. Заряженные частицы создаются специальным ускорителем частиц.

Известен способ генерации магнитного поля током заряженных частиц [Плетнев С.В. Магнитное поле, свойства, применение: Научное и учебно-методическое справочное пособие. - СПб.: Гуманистика, 2004.- 624 с.]. Амплитуда магнитного поля может быть найдена из закона Био - Савара - Лапласа или теоремы о циркуляции.

Недостатком известных способов является невозможность получения сильных магнитных полей в мезоразмерных диэлектрических частицах.

Известен способ генерации квазистационарного магнитного поля в кильватерном следе лазерного импульса, заключающийся в формировании короткого лазерного импульса заданной формы и большой интенсивности, облучении им докритической плазмы, проникновении лазерного импульса в плазму, появлении быстрых электронов и формировании результирующего квазистационарного дипольного магнитного поля, которое возникает из-за передачи энергии этих электронов в магнитное поле посредством электромагнитной неустойчивости [Лисейкина Т.В. Генерация магнитного поля при взаимодействии лазерного излучения с плазмой // Вычислительные технологии Том 3, № 4, 1998; Haines M.G. Magnetic field generation in laser fusion and hotelectron transport. Can. J. Phys, 64, 1986].

Таким способом, теоретически может быть достигнуто магнитное поле величины порядка 10⁵ Тл.

Недостатком известных способов является невозможность получения сильных магнитных полей в мезоразмерных диэлектрических частицах.

В качестве прототипа выбран способ создания сильных магнитных полей в мезоразмерных частицах заключающийся в формировании оптических вихрей внутри сферической диэлектрической частицы, возникающих при облучении сформированного монохроматического излучения сферической диэлектрической частицы, выполненной из прозрачного материала для используемого излучения с мезоразмерным диаметром, возбуждения в частице суперрезонансных мод Ми высокого порядка и формирования магнитных и электрических горячих точек вокруг полюсов сферической частицы вдоль направления распространения излучения.

Недостатком известного способа является невысокая интенсивность получения сильных магнитных полей в мезоразмерных диэлектрических частицах и малое число формирования «горячих» точек.

Суть эффекта суперрезонанса заключается в том, что для сферической слабо диссипативной диэлектрической частицы мода внутреннего резонанса высокого порядка интерферирует с широким спектром всех остальных мод. В результате такой интерференции резонансная линия имеет характерную форму резонанса Фано, которая наблюдается и для спектров напряженности электрического, и магнитного поля на поверхности частицы. Другие особенности эффекта суперрезонанса заключаются в уникальном расположении «горячих точек» на полюсах сферы [I.V. Minin, O.V. Minin, Z. Song. High-Order Fano Resonance in a Mesoscale Dielectric Sphere with a Low Refractive Index. JETP Letters, 2022, Vol. 116, No. 3, pp. 144-148]. Две горячие точки, располагаются в верхней и нижней вершинах сферической частицы вдоль направления распространения излучения. В этом случае коэффициенты усиления напряженности магнитного и электрического полей могут достигать экстремально высоких значений.

Задачей заявляемого технического решения является разработка способа получения сильных магнитных полей в мезоразмерных диэлектрических частицах с большим числом «горячих» точек.

Это достигается тем, что применяемый способ создания сильных магнитных полей в мезоразмерных частицах, заключающийся в формировании оптических вихрей внутри сферической диэлектрической частицы, возникающих при облучении сформированного монохроматического излучения сферической диэлектрической частицы, выполненной из прозрачного материала для используемого излучения с мезоразмерным диаметром, возбуждения в частице суперрезонансных мод Ми высокого порядка и формирования магнитных и электрических горячих точек вокруг полюсов сферической частицы вдоль направления распространения излучения, новым является то, что сферическая диэлектрическая частица попарно симметрично и синфазно облучается навстречу друг другу лазерной многоканальной системой на одной частоте либо частота одной облучаемой электромагнитной волны из пары выбирается равной на другой резонансной частоте излучения.

Из технической литературы известно, что 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, обусловленными интерференцией широкого спектра всех внутренних мод с одиночной модой внутреннего резонанса высокого порядка. В свою очередь, эти интерференционные эффекты приводят, в частности, к формированию оптических вихрей внутри частицы [X. Cai, J. Wang, M. Strain, B. Johnson-Morris, J. Zhu, M. Sorel, J. L. O’Brien, M. Thompson, and S. Yu, Integrated Compact Optical Vortex Beam Emitters // Science 338, 363 (2012)] с характерными размерами существенно меньше дифракционного предела.

Оптический вихрь - это ноль оптического или электромагнитного поля; точка нулевой интенсивности, которая является результатом интерференции большого числа оптических пучков [B.S. Luk’yanchuk, I.V. Minin, O.V. Minin, and Z. Wang, Refractive index less than two: Photonic nanojets yesterday, today and tomorrow // Opt. Mat. Express 7, 1820 (2017); А.Х. Султанов. Вихревая оптика // VI Международная конференция и молодежная школа «Информационные технологии и нанотехнологии» (ИТНТ-2020), с. 735-746; Allen, L. The orbital angular momentum of light / L. Allen, M.J. Padgett, M. Babiker // Progress in Optics. - 1999. - Vol. 39. - P. 291-372; Котляр, В.В. Вихревые лазерные пучки / В.В. Котляр, А.А. Ковалев - ИСОИ РАН, Самара, 2012. - 248 с.].

Объекты с вихревой структурой существуют в макромире: - спиральная форма галактик и туманностей, в микромире: - элементарные частицы, световые поля, в нашей повседневной жизни: - торнадо, тайфуны, циклоны. Возможно возбуждение вихревых полей в лазерных резонаторах, многомодовых волоконных световодах [Дифракционная нанооптика / под ред. В.А. Сойфера. - М.: Физматлит. 2011. - 680 с.].

Для анализа полей рассеяния света сферической диэлектрической частицей (рассеяние Ми) произвольного размера используют теорию Ми [G. Mie, «Beiträge zur Optik trüber Medien, speziell kolloidaler Metallösungen», Leipzig, Ann. Phys. 330, 377-445 (1908). DOI: https://dx.doi.org/10.1002/andp.19083300302].

Известно, что амплитуда магнитного поля в центре круговой токовой петли может быть записана на основе формулы Био-Саварта [Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теория поля. -М.: Наука, 1988. - 512 с.] из которой следует, что увеличение амплитуды магнитного поля можно получить либо за счет увеличения тока, протекающего по токовой петле, либо за счет уменьшения диаметра круговой токовой петли.

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

Пример функциональной схемы устройства, реализующего предлагаемый способ, представлен на Фиг. 1-2.

На Фиг. 3 приведен пример зависимости магнитных и электрических полей формируемых на поверхности сферической диэлектрической частицы с показателем преломления 1,9, параметром Ми около q~30 (определяемого как q = 2πR/λ, где R - радиус частицы, а λ - длина волны излучения. Оптический контраст сферы, расположенной в воде равен 1,43. На рисунке видно чередование преимущественных магнитного и электрического резонансов. Типичный диапазон размерных параметров, необходимый для получения таких резонансов, зависит от показателей преломления частицы и окружающей среды, диаметра сферической диэлектрической частицы и длины волны облучения.

Обозначения: 1 - сферическая диэлектрическая мезоразмерная частица, 2 - электромагнитное излучение, 3 - «горячие» точки в сферической частице, 4 - электромагнитное излучение на другой резонансной частоте излучения, отличной от 2.

Работа устройства происходит следующим образом. В качестве источника монохроматического электромагнитного излучения может выступать, например, перестраиваемый лазер в видимом, ИК диапазонах, мазер или лампа обратной волны в терагерцовом или микроволновом диапазонах [Е. Гулевич, Н. Кондратюк, А. Протасеня. Перестраиваемые источники лазерного излучения УФ, видимого, ближнего и среднего ИК диапазона // Фотоника 3/2007, с. 30-33; Патенты РФ 2202844, 2351045, 2037916, 2084996; Патент США 4376917]. Параметрические генераторы света видимого и ближнего ИК диапазона перекрывают практически весь спектральный диапазон длин волн от 200 нм до 20 мкм.

Электромагнитное излучение 2, формируют с помощью формирователя электромагнитной волны, например, волноводного рупора или линзовой антенны, или зеркальной антенны [Распространение радиоволн антенно-фидерные устройства В.П. Чернышев, Д.И. Шейнман «Связь», 1973.; Е.Г. Зелкин, Р.А. Петрова Линзовые антенны. М. Сов. радио, 1974г, 277с.; Шифрин Я.С. Антенны. - ВИРТА им. Гоборова Л.А., 1976. - С. 239-241. - 408 с.] в освещающую волну с плоским волновым фронтом, либо в сферически сходящуюся волну с шириной перетяжки фокусируемого пучка не менее диаметра сферической диэлектрической частицы 1. Электромагнитное излучение 1 облучает сферическую диэлектрическую частицу 1, изготовленную из диэлектрика прозрачного для используемого излучения, например, из полимеров, стекла, кварца, керамики.

При облучении диэлектрической мезоразмерной частицы 1 электромагнитным излучением в ней могут сформироваться суперрезонансные моды Ми высокого порядка с формированием оптических вихрей и двух горячих точек 3, расположенных в верхней и нижней вершинах сферической частицы 1 вдоль направления распространения излучения. В окрестности полюсов такой диэлектрической сферы 1 наблюдается гигантское локальное усиление магнитного и электрического полей вблизи полюсов сферической частицы благодаря конструктивной интерференции одной резонансной моды с широким спектром мод внутри частицы. При облучении электромагнитным излучением 2, 4 сферической диэлектрической частицы 1 попарно синфазно и симметрично навстречу друг другу лазерной многоканальной системой за счет интерференции волн интенсивность электромагнитного поля в горячих точках 3 возрастает не менее, чем в четыре раза. А при использовании нескольких пар облучаемого излучения возрастает число горячих точек в сферической диэлектрической частице 1.

Из технической литературы известны многоканальные лазерные системы, в которых используется лазерное излучение облучающее мишень с различных направлений.

Например, известна многоканальная лазерная система, по патенту РФ 2601505 «Способ наведения излучения многоканального лазера и заданные точки мишени и комплекс для его осуществления», обеспечивающая точное сведение нескольких пучков и фокусировку излучения на требуемой дистанции в предельно малое пятно. Известны способ и устройство наведения излучения в заданную точку мишени при подготовке ее к физическим экспериментам на многоканальной лазерной установке LMJ [Michel Luttmann et.al. Laser Megajoule alignment to target center. Proc. of SPIE, v. 7916, 79160N (2011)], обеспечивающая сведение и фокусировку пучков лазерных каналов в заданные точки мишени. Известны способ и система наведения излучения многоканальной лазерной установки на мишень по патенту РФ 2532649. Также известны способ и комплекс наведения излучения [S J. Boege et.al. NIF pointing and centering systems and target alignment using a 351 nm laser source / Proc. of SPIE, v. 3047, 0276X (1997)] многоканальной лазерной установки NIF [D.H. Kalantar et. al. An overview of target and diagnostic alignment at the National Ignition Facility. Proc. of SPIE, v. 8505, 850509 (2012)] на мишень. Известен многолучевой источник лазерного излучения и устройство для обработки материалов с его использованием по патенту РФ 2632745. Известен способ облучения поверхности детали многолучевой лазерной системой, обрабатывающая система и очиститель на его основе по патенту РФ 2791258. Известна лазерная термоядерная установка для получения электрической энергии по патенту РФ 1626954, в которой приведено описание многоканальной лазерной системы для облучения мишени. Известно устройство для управляемой термоядерной энергии National Ignition Facility (NIF). В устройстве используется многоканальная лазерная система, с помощью которой фокусируется 192 сверхмощных луча ультрафиолетового лазера на маленькой бериллиевой капсуле диаметром около 2 мм, содержащей тяжелые изотопы водорода. Огромные температуры и давление, создаваемые внутри капсулы с помощью такого воздействия, сравнимы с условиями в недрах звезд.

В результате математического моделирования было установлено, что внутри диэлектрической сферы может существовать множество оптических вихрей, создаваться еще большие магнитные поля из-за возможности создания небольших оптических вихрей, возникающих в результате эффектов сверхколебаний, с большими фазовыми градиентами вблизи особенностей. С увеличением числа резонансных мод уменьшается характерный размер оптического вихря и, значит, увеличивается амплитуда формируемого магнитного поля.

Таким образом, бесконтактным способом в сферической диэлектрической частице формируются своеобразные «катушки», формирующие магнитное поле.

При использовании одной пары облучающих сферическую диэлектрическую частицу волн и направленных синфазно и симметрично на встречу друг другу интенсивность электромагнитного поля в горячих точек возрастает в четыре раза, а количество горячих равно двум. Если одна из облучаемых диэлектрическую частицу волн выбрана на другой резонансной частоте излучения λ_р, то увеличивается интенсивность электрического и магнитного полей в горячих точках. Изменяя фазу одной в паре облучаемых волн можно изменить интенсивность электромагнитного поля в горячих точках.

Этот резонанс связан с внутренними модами Ми высокого порядка и имеет место при определенных значениях параметра размера частиц q (параметр Ми), определяемого как q = 2πR/λ, где R - радиус частицы, а λ - длина волны излучения, показателя преломления сферической частицы n, зависит от ее сферичности и т.д., которые могут быть непосредственно получены из строгой аналитической теории Ми [Mie, G. Beiträge zur optik trüber medien, speziell kolloidalermetallösungen, // Ann. Phys. 30, 3, 377-445 (1908)].

Напряженность электромагнитного поля в горячих точках 3 может на несколько порядков, примерно на 10³-10¹⁰, превышать напряженность электромагнитного поля в освещающей волне [патент РФ 2795609; 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]. Особенностью этого типа резонанса является то, что величина напряженности магнитного поля существенно превышает величину напряженности электрического поля в горячих точках 3 из-за явления образования оптических (электромагнитных) вихрей внутри частицы, которые, в соответствии с законом Био-Саварк-Лапласа, формируют магнитное поле. С уменьшением диаметра оптического вихря возрастает амплитуда магнитного поля на его оси.

Диэлектрические частицы с малым поглощением и с характерными мезоразмерными величинами могут вызывать сильный магнитный отклик на падающую электромагнитную волну. Например, теоретически падающее магнитное поле может быть усилено в 10⁶-10¹⁰ раз внутри диэлектрической сферы, выполненной из материалов с показателем преломления более 1,3. Так в сферической частице с низким коэффициентом преломления (n=1,33) и q~70 возможно возбуждение Фано резонансов крайне высокого (l~86) порядка с существенным усилением (до 10⁷) интенсивностей магнитного и электрического полей.

Аналогичные результаты были получены для диэлектрической сферы, выполненной из материала с показателем преломления порядка 12. Однако при этом уменьшаются диаметр сферической частицы, номер резонансной моды и увеличиваются потери излучения на отражение от границы воздух - диэлектрик. Также уменьшается диаметр магнитной горячей точки по сравнению со сферами из материалов с более низкими значениями показателями преломления. Кроме того увеличиваются требования к точности изготовления сферической диэлектрической частицы.

При использовании двух пар облучающих сферическую диэлектрическую частицу электромагнитных волн, которые синфазны и направленны симметрично на встречу друг другу интенсивность электромагнитного поля в горячих точках возрастает более чем в четыре раза, а количество горячих равно четырем. При увеличении числа пар облучающих электромагнитных волн соответственно увеличивается число горячих точек, формируемых в диэлектрической сферической частице и интенсивность электрического и магнитного полей в горячих точках.

Изобретение относится к способам создания сильных магнитных полей и может быть применено в физическом эксперименте. Способ создания сильных магнитных полей в мезоразмерных частицах заключается в формировании оптических вихрей внутри сферической диэлектрической частицы, возникающих при облучении сформированного монохроматического излучения сферической диэлектрической частицы, выполненной из прозрачного материала для используемого излучения с мезоразмерным диаметром, возбуждения в частице суперрезонансных мод Ми высокого порядка и формирования магнитных и электрических горячих точек вокруг полюсов сферической частицы вдоль направления распространения излучения, при этом сферическая диэлектрическая частица попарно симметрично и синфазно облучается навстречу друг другу лазерной многоканальной системой на одной частоте либо частота одной облучаемой электромагнитной волны из пары выбирается на другой резонансной частоте излучения. Технический результат - получение сильных магнитных полей в мезоразмерных диэлектрических частицах. 3 ил.

Способ создания сильных магнитных полей в мезоразмерных частицах, заключающийся в формировании оптических вихрей внутри сферической диэлектрической частицы, возникающих при облучении сформированного монохроматического излучения сферической диэлектрической частицы, выполненной из прозрачного материала для используемого излучения с мезоразмерным диаметром, возбуждения в частице суперрезонансных мод Ми высокого порядка и формирования магнитных и электрических горячих точек вокруг полюсов сферической частицы вдоль направления распространения излучения, отличающийся тем, что сферическая диэлектрическая частица попарно симметрично и синфазно облучается навстречу друг другу лазерной многоканальной системой на одной частоте либо частота одной облучаемой электромагнитной волны из пары выбирается на другой резонансной частоте излучения.