Способ фокусировки излучения диэлектрическими мезоразмерными структурами на основе одновременного возбуждения мод Ми и резонанса Фабри-Перо Российский патент 2025 года по МПК G02B3/00 

Изобретение относится к способам фокусировки излучения с использованием массива упорядоченных диэлектрических мезомасштабных фокусирующих устройств, формирующих максимумы распределения интенсивности электромагнитного поля, где происходит формирование структур с масштабами, меньшими длины волны исходно используемого излучения и может быть применено, например для получения сверхразрешения на большой площади, оптической визуализации, для создания упорядоченных структур на поверхности диэлектрических подложек большой площади за один импульс электромагнитного излучения с высокими плотностью записи структур и пространственным разрешением.

В настоящее время существует проблема фокусировки света в области, превышающей дифракционный предел двумерными диэлектрическими микроструктурами (в основном изолированными микроцилиндрами), имеющими мезомасштабные размеры порядка длины волны падающего света в связи с приложениями сверхразрешения большой площади, оптической визуализации [C. Xu, S. Zhang, J. Shao, B.-R. Lu, R. Mehfuz, S. Drakeley, F. Huang, Y. Chen. Photon nanojet lens: design, fabrication and characterization // Nanotechnology 2016, 27, 165302]. Развитие нового научного направления в фотонике, которое получило название «диэлектрической Ми-троники» [R. Won, Into the Mie-tronic era // Nature. Photonics 13, 585, 2019] направлено для получения, обработки и передачи информации.

Известен способ фокусировки излучения включающий облучение плоской электромагнитной волной диэлектрической мезоразмерной частицы в форме сферы [Liao Jung-Chi, Nathwani Bhavik, Yang Tony. Microsphere superlens based superresolution imaging platform // WO/2013/043818, Publication Date:28.03.2013; A. Heifetz, K. Huang, A. V. Sahakian, X. Li, A. Taflove, and V. Backman, Experimental confirmation of backscattering enhancement induced by a photonic jet // Appl. Phys. Lett. 89, 221118 (2006)] либо цилиндра со стороны его основания [Патенты РФ 153686; 178616], либо цилиндра облучаемого с его боковой стороны [L. Zhao and C. K. Ong, Direct observation of photonic jets and corresponding backscattering enhancement at microwave frequencies // Journal of Applied Physics, vol. 105, Jun 2009], либо кубоида [Yue Liyang, Yan Bing, Monks James, Dhama Rakesh, Wang Zengbo, Minin Oleg, Minin Igor. A millimetre-wave cuboid solid immersion lens with intensity-enhanced amplitude mask apodization // Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves, 2018, 39(6): 546–552; Liu C-Y. Photonic jets produced by dielectric micro cuboids // Appl. Opt. 2015. 54 8694–9], либо в виде системы эллиптических или сферических поверхностей [Dellea Olivier, Shavd Olga, Kampfe Thomas. Process for generating photonic nanojets // WO 2016/156587 Al, Date de la publication international 6 October 2016.], либо диэлектрической частицы с конической поверхностью, в виде пирамид, сфероидов, полусферических частиц [И.В. Минин, О.В. Минин. Фотоника изолированных диэлектрических частиц произвольной трехмерной формы – новое направление оптических информационных технологий // выпуск "Вестник НГУ. Серия: Информационные технологии". Т. 12, вып.4. 2014, с.59-70.], выполненных из материала с относительным показателем преломления менее 2 и с характерным размером не менее λ, где λ– длина волны облучающего излучения и формирования непосредственно на теневой поверхности фотонной струи.

Недостатком известного способа является сложность осуществления субволновой фокусировки излучения на большой площади и не высокая интенсивность излучения в области фотонной струи.

Известен способ фокусировки электромагнитного излучения диэлектрической однородной частицей в виде прямого кругового цилиндра, обладающей свойствами сверхразрешения (фокусировка в виде фотонной струи), заключающийся в изготовлении слабопоглощающей однородной частицы в форме прямого кругового цилиндра с диаметром, сравнимым с длиной волны падающего излучения и выполненной из материала с относительным показателем преломления менее 2, облучении цилиндрической частицы электромагнитным излучением с формированным плоским фронтом и формировании на теневой поверхности цилиндрической частицы электромагнитной струи вдоль направления распространения излучения [Патент РФ 178616; патенты США 8554031 B2, 9362324 B1, 9835870 B2, 2018 /0196243 A1, 2014/0043611 A1; L. Zhao and C. K. Ong, Direct observation of photonic jets and corresponding backscattering enhancement at microwave frequencies // Journal of Applied Physics, vol. 105, Jun 2009].

Недостатком способа является сложность осуществления субволновой фокусировки излучения на большой площади и не высокая интенсивность излучения в области фотонной струи.

Известен способ фокусировки электромагнитного излучения [Патент РФ 2790963], в котором с помощью источника монохроматического когерентного электромагнитного излучения формируют плоскую электромагнитную волну, которой освещают шарообразную однородную мезомасштабную линзу, возбуждают в линзе суперрезонансные моды Ми высокого порядка, при этом электромагнитное излучение формирует фокальное пятно с субволновым размером и высоким значением интенсивности электромагнитного поля.

Достоинством способа является достижение субволнового поперечного разрешения порядка 0,17λ.

Недостатком способа является сложность осуществления субволновой фокусировки излучения на большой площади и не высокая интенсивность излучения в области фотонной струи.

Фотонные наноструи (электромагнитные струи) это узкая область фокусировки, формируемая на теневой границе диэлектрической частицы с различной 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.

Известен способ фокусировки излучения включающий расположение на подложке с показателем преломления менее показателя преломления материала формирующего элемента и минимальным размером фокусирующего элемента не менее λ и с формой поверхности фокусирующего элемента в виде цилиндра, призмы, конуса или частицы с произвольной формой поверхности, облучения плоской электромагнитной волной по нормали к подложке и формирования непосредственно на теневой поверхности фокусирующего элемента фотонной струи [Boryskin Artem, Blonde Laurent. Device for forming at least one focused beam in the near zone, from incident electromagnetic waves // EP 3223062 A1, Date of publication: 27.09.2017].

Известен способ фокусировки излучения включающий размещения монослоя сферических мезоразмерных диэлектрических частиц в прозрачной для излучения пленке, так что фокус каждой частицы находился вне пленки, при этом показатель преломления материала частиц должен быть не менее 1,4 и превышать показатель преломления материала пленки в котором размещены частицы [Wang Zengbo. Improvements in and relating to lenses // WO 2015/025174 Al, International Publication Date 26 February 2015].

Известен способ фокусировки излучения [Патент РФ 195551], включающий создание поверхностной периодической неоднородности в виде слоя диэлектрических мезоразмерных фокусирующих устройств в форме мезоразмерных частиц с характерным размером не менее λ/2, где λ – длина волны облучающего слой фокусирующих устройств электромагнитным излучением и с коэффициентом преломления материала фокусирующего устройства, лежащего в диапазоне от 1,2 до 1,7, в размещении на поверхности прозрачной для излучения подложки слоя диэлектрических мезоразмерных фокусирующих устройств в форме мезоразмерных частиц, облучения сформированной электромагнитной волной с плоским фронтом подложки и формирование матрицы фотонных струй на теневой стороне подложки.

Недостатком известных способов является то, что формируется массив фотонных струй с неконтролируемыми характеристиками: длиной, шириной и фокусными расстоянием, а так же не высокая интенсивность излучения в области фокусировки излучения.

Известен способ фокусировки электромагнитного излучения упорядоченным массивом двумерных мезомасштабных диэлектрических частичек в виде фазовых дифракционных решеток [Liu C-Y., Minin O. V. and Minin I. V. First experimental observation of array of photonic jets from saw-tooth phase diffraction grating // Europhys. Lett. 2018. 123 54003], включающий изготовление фазовой дифракционной решетки, например, с пилообразным, прямоугольным, полусферическим профилем из прозрачного для излучения материала, с относительным показателем преломления не более 2 и мезоразмерной величиной фазового профиля, облучения электромагнитным излучением со сформированным плоским фронтом по нормали к подложке дифракционной решетки, расположенной на ее теневой стороне и формирования фотонных струй на фазовом профиле решетки.

Достоинством известного способа является то, что формируемый массив фотонных струй из таких фазовых дифракционных решеток, в отличие от самосборок микрочастиц, образует массив фотонных струй с контролируемыми характеристиками: длиной, шириной и фокусным расстоянием.

Недостатком известного способа является не высокая интенсивность излучения в области фотонной струи.

В качестве прототипа выбран способ фокусировки излучения [Патент РФ 195551], включающий облучение плоской электромагнитной волной диэлектрической подложки на теневой стороне которой сформирована поверхностная периодическая неоднородность в форме фазовой дифракционной решетки выполненной из прозрачного материала с относительным коэффициентом преломления N по отношению к окружающей среде и находящемся в диапазоне от 1,2 до 1,7, высотой и шириной основания мезоразмерного фазового профиля не менее λ/2, где λ – длина волны электромагнитного излучения и формирования фотонных струй непосредственно на фазовом профиле решетки

Недостатком известного способа является не высокая интенсивность излучения в области фотонной струи.

Задачей заявляемого технического решения является разработка способа фокусировки излучения диэлектрическими мезоразмерными структурами на основе одновременного возбуждения мод Ми и резонанса Фабри - Перо с высокой интенсивностью излучения в формируемой фотонной струе.

Это достигается тем, что применяемый способ оптической фокусировки излучения, включающий облучение плоской электромагнитной волной диэлектрической подложки на теневой стороне которой сформирована поверхностная периодическая неоднородность в форме фазовой дифракционной решетки выполненной из прозрачного материала с относительным коэффициентом преломления N по отношению к окружающей среде и находящемся в диапазоне от 1,2 до 1,7, высотой и шириной основания мезоразмерного фазового профиля не менее λ/2, где λ – длина волны электромагнитного излучения и формирования фотонных струй непосредственно на фазовом профиле решетки новым является то, что одновременно возбуждают в фазовой дифракционной решетке резонансные моды Ми и Фабри - Перо, а ширина отдельного элемента W фазового профиля дифракционной решетки выбирается из условия W/T>0,5, где Т – период решетки. Кроме того, толщина подложки выбирается из условия возникновения резонанса Фабри - Перо λN/2+nλ, где n – натуральное число, включая 0. Кроме того, оптическая высота фазового профиля дифракционной решетки выбирается из условия возникновения резонанса Фабри - Перо в нем, при постоянной толщине подложки.

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

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

На фиг. 1 приведена схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

На фиг. 2 приведен пример поверхностной периодической неоднородности в форме фазовой дифракционной решетки с цилиндрическим профилем.

На фиг. 3 приведен пример поверхностной периодической неоднородности в форме фазовой дифракционной решетки с прямоугольным профилем.

Обозначения: 1 – сформированная плоская электромагнитная волна; 2 – диэлектрическая подложка; 3 – поверхностная периодическая неоднородность в форме фазовой дифракционной решетки; 4 – фазовая дифракционная решетка; 5 – фотонная струя; 6 – пример поверхностной периодической неоднородности в форме фазовой дифракционной решетки с цилиндрическим профилем; 7 – пример поверхностной периодической неоднородности в форме фазовой дифракционной решетки с прямоугольным профилем; t – толщина диэлектрической подложки; h – высота периодической неоднородности в форме фазовой дифракционной решетки.

Работа устройства происходит следующим образом. В качестве источника электромагнитного излучения может выступать, например, перестраиваемый лазер в видимом, ИК, мазер в ТРЦ или микроволновом диапазоне [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]. Среди твердотельных источников перестраиваемого лазерного излучения главенствующие позиции до недавнего времени занимали лазеры на красителях в полимерных матрицах и на активированных кристаллах (Al₂O₃:Ti, александрит, форстерит, YAG:Cr⁴⁺). Диапазон рабочих длин волн, обеспечиваемых этими лазерами, располагается в пределах от 550 до 1500 нм, а каждая активная среда в отдельности способна генерировать в сравнительно узкой спектральной области шириной от 20 до 300 нм. Параметрические генераторы света видимого и ближнего ИК диапазона перекрывают практически весь спектральный диапазон длин волн от 200 нм до 20 мкм.

Электромагнитное излучение, сформированное источником излучения, формирует освещающую волну с плоским волновым фронтом 1, которое облучает диэлектрическую подложку 2, изготовленную из диэлектрика прозрачного для используемого излучения, например, из полимеров, стекла, кварца. На теневой поверхности диэлектрической подложки 2 формируется поверхностная периодическая неоднородность 3 в форме фазовой дифракционной решетки 4, например, поверхностная периодическая неоднородность в форме фазовой дифракционной решетки с цилиндрическим профилем 6 или прямоугольным профилем 7. В результате дифракции и интерференции электромагнитной волны на элементах поверхностной периодической неоднородности на теневой стороне фазовой решетки 4 формируются фотонные струи 5.

Так как характерная ширина отдельного элемента W фазового профиля дифракционной решетки выбирается из условия W/T>0,5, где Т – период решетки, то в этом случае отсутствуют интерференционные эффекты от элементов фазового профиля и каждый элемент фазового профиля решетки может быть рассмотрен как отдельное устройство формирования фотонной струи.

Из технической литературы известно, что характерной особенностью рассеяния Ми является его резонансный характер в определенной области спектра, когда целое число длин волн совпадает с оптической толщиной Nx рассеивающей частицы, x – характерная толщина диэлектрической частицы. Резонансы наблюдаются, когда частота падающей волны ω совпадает с одной из собственных частот частицы ω₀. Это приводит к излучению частицей электромагнитных волн на той же частоте ω₀ и интерференции между падающей волной и колебаниями, излученными частицей [М.В. Рыбин, И.С. Синев, К.Б. Самусев, М.Ф. Лимонов. Каскады резонансов Фано в рассеянии Ми // Физика твердого тела, 2014, том 56, вып. 3, с. 560-566].

В частицах c размером более длины волны наблюдаются резонансы Ми высокого (l > 5) порядка, например, для мезоразмерных сфер с показателем преломления равным 1,33 наблюдались резонансы Ми и Фано [И.В.Минин, О.В.Минин, С.Джоу. Фано резонанс высокого порядка в диэлектрической мезоразмерной сфере из материала с низким показателем преломления // Письма в ЖЭТФ, (2022), том 116, вып.3, с.146–150].

Таким образом, диэлектрическая микрочастица в оптическом диапазоне длин волн является высокодобротным оптическим резонатором [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) https://doi.org/10.1364/OME.7.001820.].

В недавно возникшей новой области – диэлектрическая резонансная метафотоника [K. Koshelev and Y. Kivshar, Dielectric Resonant Metaphotonics // ACS Photonics (2020), inprint; https://doi.org/10.1021/acsphotonics.0c01315] (также называемая “Mie-tronics” [R. Won, Into the ‘Mie-tronic’ era // Nature Photon. 13, 585 (2019)]), направлена на управление оптически-индуцированными электрическими и магнитными резонансами Ми в диэлектрических наноструктурах с высоким показателем преломления. Например, субволновые оптические наноантенны, изготовленные из диэлектрических материалов с высоким показателем преломления, могут иметь различную форму, например, куба и цилиндра. Они также поддерживают мультипольные электрические и магнитные резонансы Ми [П.Тонкаев, Ю.Кившарь. Высокодобротные диэлектрические Ми-резонансные наноструктуры (Мини-обзор) // Письма в ЖЭТФ, 2020, том 112, вып.10, с.658–666]. Однако высокие значения показателя преломления материала не позволяют использовать такие резонансные структуры для формирования фотонных струй.

Таким образом, подбирая длину волны облучающего фазовую дифракционную решетку или подбирая размеры и форму поверхностной периодической неоднородности на поверхности диэлектрической подложки, возбуждаются моды Ми.

Резонатор Фабри–Перо широко применяется в оптике. В классическом виде он представляет 2 соосных, параллельно расположенных и обращенных друг к другу зеркала, между которыми может формироваться резонансная оптическая стоячая волна. Одно из зеркал, как правило, делают частично прозрачным для преимущественного вывода мощности в этом направлении.

Для существования резонанса в резонаторе Фабри - Перо необходимо, чтобы расстояние между двумя плоскими параллельными зеркалами соответствовало λN/2 + кλ, где к – натуральное число, включая 0; λ – длина волны.

Форма зеркал в резонаторе Фабри - Перо может быть различной. Например известны резонаторы Фабри - Перо выполненные в виде двух зеркал, по крайней мере одно из которых является выпуклым либо выполненные в виде двух зеркал, по крайней мере одно из которых не обладает радиальной симметрией, либо Фабри - Перо выполнен из двух вогнутых зеркал [WO 2011/ 008130A9]. При этом пространство между зеркалами может быть заполнено диэлектриком.

Роль полупрозрачных зеркал на поверхностной периодической неоднородности фазовой дифракционной решетки, расположенной на поверхности диэлектрической подложки играет граница поверхности диэлектрик – воздух.

Меняя толщину диэлектрической подложки t или высоту фазового профиля дифракционной решетки h возбуждаются моды Фабри - Перо.

Меняя один из параметров структуры (например, высоту цилиндра либо кубоида или толщину диэлектрической подложки), настраиваются собственные частоты одних резонансов (например, Фабри - Перо), оставляя неизменными частоты других резонансов (например, резонансов Ми, определяемых боковой стенкой цилиндра или кубоида).

При одновременном возбуждении в фазовой дифракционной решетке резонансных мод Ми и Фабри - Перо остановится возможным достижение предельной концентрации интенсивности электромагнитного поля в фотонной струе без изменения пространственных характеристик формируемой фотонной струи.

Например, для поверхностной периодической неоднородности в виде дифракционной решетки с прямоугольным профилем, выполненной из материала с показателем преломления равного N=1,50 на длине волны излучения 0,613 мкм и одновременном возбуждении в фазовой дифракционной решетке резонансных мод Ми и Фабри - Перо увеличение интенсивности в фокальной струе составило 21 % при ширине фотонной струе на полувысоте равного λ/3.

Фазовые дифракционные решетки, формирующие массив идентичных фотонных струй, могут быть изготовлены известными способами. Например, в соответствии с патентами РФ 1675814, 2114450, 2511704, 2615020 и например, с работами [Одиноков С.Б., Сагателян Г.Р., Соломашенко А.Б., Дроздова Е.А. Технология изготовления дифракционных оптических элементов методом плазмохимического травления для формирования точечных эталонных изображений // Инженерный журнал: наука и инновации, 2013, вып. 9; А.В. Волков, Методы формирования микрорельефа для синтеза дифракционных оптических элементов // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия Физико-математические науки, 1999, №7, с. 127] и т.д.

Изобретение относится к способам фокусировки оптического излучения. Сущность изобретения заключается в том, что осуществляют облучение плоской электромагнитной волной диэлектрической подложки, на теневой стороне которой сформирована поверхностная периодическая неоднородность в форме фазовой дифракционной решетки, выполненной из прозрачного материала с заданными параметрами, при этом одновременно возбуждают в фазовой дифракционной решетке резонансные моды Ми и Фабри - Перо, а ширина отдельного элемента W фазового профиля дифракционной решетки выбирается из условия W/T>0,5, где Т период решетки. Технический результат: обеспечение возможности фокусировки излучения диэлектрическими мезоразмерными структурами на основе одновременного возбуждения мод Ми и резонанса Фабри - Перо с высокой интенсивностью излучения в формируемой фотонной струе. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ фокусировки оптического излучения, включающий облучение плоской электромагнитной волной диэлектрической подложки, на теневой стороне которой сформирована поверхностная периодическая неоднородность в форме фазовой дифракционной решетки, выполненной из прозрачного материала с относительным коэффициентом преломления N по отношению к окружающей среде и находящемся в диапазоне от 1,2 до 1,7, высотой и шириной основания мезоразмерного фазового профиля не менее /2, где - длина волны электромагнитного излучения и формирования фотонных струй непосредственно на фазовом профиле решетки отличается тем, что одновременно возбуждают в фазовой дифракционной решетке резонансные моды Ми и Фабри - Перо, а ширина отдельного элемента W фазового профиля дифракционной решетки выбирается из условия W/T>0,5, где Т период решетки.

2. Способ фокусировки оптического излучения по п. 1, отличающийся тем, что толщина подложки выбирается из условия возникновения резонанса Фабри - Перо N/2+n, где n – натуральное число, включая 0.

3. Способ фокусировки оптического излучения по п. 1, отличающийся тем, что оптическая высота фазового профиля дифракционной решетки выбирается из условия возникновения резонанса Фабри - Перо в нем при постоянной толщине подложки.