Способ формирования зеркальной фотонной струи Российский патент 2025 года по МПК G01B11/12 G02B26/08 

Изобретение относится к технике СВЧ, включая терагерцовый и оптический диапазоны длин волн и может использоваться в различных системах ближнепольного видения, неразрушающего контроля и относится, в частности, к устройствам, позволяющим управлять положением и формой зеркальной фотонной струи, а так же может быть предназначено для контроля диаметров полостей и отверстий от миллиметрового до нанометрового размера.

Фотонные струи находят свое применение в различных спектральных диапазонах от СВЧ до акустики. 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, для маркировки/гравировки/травления поверхности различных материалов, для усиления флуоресценции, для обнаружения наночастиц и т.д.

Обзоры современного состояния по формированию фотонной струи диэлектрическими частицами произвольной формы в электромагнитном спектре частот приведены в многочисленных работах, например, в [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; 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); Igor V. Minin, Oleg V. Minin, and Yuri E. Geints. Localized EM and photonic jets from non-spherical and non-symmetrical dielectric mesoscale objects: Brief review // Ann. Phys. (Berlin), 1-7 (2015); Li H., Song W., Zhao Y., Cao Q., Wen A., Optical Trapping, Sensing and Imaging by Photonic Nanojets // Photonic 2021, 8, 434; Arash Darafsheh, Photonic nanojets and their applications // J. Phys. Photonics 2021, 3, 022001; B.S. Luk'yanchuk, A.R. Bekirov, Z.B. Wang, I.V. Minin, O.V. Minin and A.A. Fedyanin. Optical Phenomena in Mesoscale Dielectric Spheres and Immersion Lenses Based on Janus Particles: A Review // Physics of Wave Phenomena, Vol. 30, No. 5, 2022, p. 283; B.S. Luk'yanchuk, A.R. Bekirov, Z.B. Wang, I.V. Minin, O.V. Minin and A.A. Fedyanin. Optical Phenomena in Dielectric Spheres and Immersion Lenses Based on Janus Particles: A Review // Physics of Wave Phenomena, Vol. 30, No. 5, 2022, p. 283; B.S. Luk'yanchuk, A.R. Bekirov, Z.B. Wang, I.V. Minin, O.V. Minin and A.A. Fedyanin. Optical Phenomena in Dielectric Spheres Several Light Wavelengths in Size: A Review // Physics of Wave Phenomena, Vol. 30, No. 4, 2022, р. 217].

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 составляет 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 из материала с относительным показателем преломления не более 2. При показателе преломления более 2, фотонная струя формируется внутри частицы.

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 // Optics Express 16805, 2 August 2010, Vol. 18, No. 16], 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, в форме кубоида, усеченного шара, пирамиды, усеченной пирамиды, призмы, объемного шестигранника и т.д. [I.V. Minin and O.V. Minin. Diffractive optics and nanophotonics: Resolution below the diffraction limit, Springer, 2016 http://www.springer.com/us/book/9783319242514#aboutBook; V. Pacheco-Pena, M. Beruete, I.V. Minin and O.V. Minin. Terajets produced by 3D dielectric cuboids // Appl. Phys. Lett. 105, 084102 (2014); I.V. Minin, O.V. Minin and Geintz Y.E. Localized EM and photonic jets from non-spherical and non-symmetrical dielectric mesoscale objects: brief review // Annalen der Physik (AdP), May 2015 DOI: 10.1002/andp.201500132; Yu. E. Geintz, A.A. Zemlyanov and E. K. Panina. Photonic Nanonanojets from Nonspherical Dielectric Microparticles // Russian Physics Journal 58, 904-910 (2015); Yu. E. Geints, A.A. Zemlyanov and E.K. Panina. Characteristics of photonic jets from microcones // Optics and Spectroscopy 119, 849-854 (2015); И.В. Минин, О.В. Минин. Фотоника изолированных диэлектрических частиц произвольной трехмерной формы - новое направление оптических информационных технологий // Вестник НГУ. Серия: Информационные технологии. 2014, №4, с. 4-10]. Во всех известных случаях, фотонная струя формировалась вдоль оптической оси диэлектрической частицы и имела осесимметричную форму относительно оптической оси.

В работах [Патент РФ 155915; I.V. Minin, O.V. Minin, V. Pacheco-Peña, and M. Beruete, Localized photonic jets from flat, three-dimensional dielectric cuboids in the reflection mode // Opt. Lett., vol. 40, no. 10, pp. 2329-2332, 2015; Liyang Yue, Bing Yan, James N. Monks, Rakesh Dhama, Zengbo Wang, Oleg V. Minin, and Igor V. Minin. Photonic jet by a near-unity-refractive-index sphere on a dielectric substrate with high index contrast // Annalen der Physik, 530(6), [1800032] впервые было предложено устройство формирования фотонной струи в режиме «на отражение», т.е. формирование фотонной струи в направлении навстречу освещающему излучению, при одновременном уменьшении продольных размеров устройства. Диэлектрическая частица, формирующая фотонную струю, была выполнена с усеченной формой поверхности и на плоском основании усеченной диэлектрической частицы со стороны противоположной источнику излучения относительно диэлектрической частицы был размещен отражающий падающее излучение экран, при этом максимальная толщина усеченной диэлектрической частицы равна χН, где Н максимальная толщина диэлектрической частицы, χ эмпирический коэффициент равный 0,42-0,59. При этом усеченная диэлектрическая частица может быть расположена на отражающем падающее излучение экране, который расположен вместе с частицей под углом к направлению падения излучения на нее.

Основными характеристиками фотонной струи являются: ширина фотонной струи (FWHM), определяемая как полная ширина на половине высоты профиля интенсивности, длина фотонной струи, фокусное расстояние фотонной струи, отношение I_мax/I₀, где I_мax - интенсивность электромагнитного поля в фокусе фотонной струи, I₀ - интенсивность электромагнитного поля в освещающей волне и протяженность фотонной струи.

Известен способ формирования фотонной струи с увеличенной глубиной фокуса [Патенты РФ 153686; 178616], состоящий в облучении электромагнитной волной диэлектрической мезоразмерной частицы, выполненной усеченной формой в продольном направлении со стороны, противоположной направлению падения излучения, при этом на поверхности диэлектрической частицы, обращенной к падающему волновому фронту, нанесен слой материала, не пропускающего падающее на частицу излучение, при этом поперечные размеры этого материала составляют 0,1-0,8 от максимального поперечного размера частицы.

Известен способ формирования фотонной струи [Патент РФ 191638], включающий облучение электромагнитным излучением диэлектрической частицы с характерным размером, сравнимым с длиной волны падающего излучения, выполнении диэлектрической частицы в виде частицы с плоской боковой поверхностью и равной толщины, например, в форме куба или цилиндра, установке непосредственно на боковой поверхности частицы, перпендикулярно падающему излучению металлический экран на расстоянии от освещенного торца частицы, находящегося в диапазоне от 0 до L, где L - длина частицы вдоль направления падения на нее излучения и толщиной металлического экрана d не менее толщины скин-слоя в материале металлического экрана на частоте источника излучения.

Недостатком способов является невозможность управления положением и формой зеркальной фотонной струи.

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 управления положением и формой зеркальной фотонной струи.

Известен способ изменения пространственного положения формируемой фотонной струи [Патент РФ 202291], 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, при этом экран установлен несимметрично относительно оптической оси на одной из боковых сторон частицы.

Недостатком способа является невозможность управления положением и формой зеркальной фотонной струи.

Известен способ управления положением и формой фотонной струи [Патент РФ 2813487], 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, при этом диэлектрическую частицу выбирают сферической формы или в форме кругового цилиндра и осуществляют вращение частицы в плоскости, перпендикулярной плоскости освещающей электромагнитной волны.

Недостатком способа является невозможность управления положением и формой зеркальной фотонной струи.

Известен способ формирования зеркальной фотонной струи [Патент РФ 160834], облучение электромагнитной волной со сформированным плоским или слабосходящимс волновым фронтом диэлектрической прямоугольной пластины или дисковой пластины с сечением пластины не менее диаметра падающего пучка излучения, толщиной прямоугольной пластины по нормали к отражающему экрану (0,3-1,5)λN, оптический контраст материала диэлектрика пластины составляет (1,2-1,95), где N - целое число, λ - длина волны излучения в среде позади которой расположен плоский экран, отражающий падающее на него излучение.

Недостатком способа является невозможность управления положением и формой зеркальной фотонной струи.

Известен способ формирования зеркальной фотонной струи [Патент РФ 182549], включающий облучение электромагнитным излучением диэлектрическую частицу, выполненную в форме шара с характерным размером, сравнимым с длиной волны падающего излучения с показателем преломления материала, лежащего в диапазоне примерно от 1,05 до 1,36 и с диаметром не менее λ, где λ - длина волны освещающего шарик излучения и размещения ее на плоском экране, отражающем падающее на него излучение, например, из диэлектрика с показателем преломления не менее 2,7.

Недостатком способа является невозможность управления положением и формой зеркальной фотонной струи.

В качестве прототипа выбран способ формирования зеркальной фотонной струи [Патент РФ 155915], включающий облучение электромагнитным излучением диэлектрической частицы, формирующей фотонную струю и выполненной с усеченной формой поверхности, например кубоида или усеченной сферы или диска, с характерным размером, сравнимым с длиной волны падающего излучения, размещения на плоском основании диэлектрической частицы со стороны, противоположной облучению электромагнитным излучением отражающего падающее излучение экран, при этом максимальная толщина усеченной диэлектрической частицы равна χН, где Н - максимальная толщина диэлектрической частицы, χ - эмпирический коэффициент, равный 0.42-0.59.

Недостатком способа является невозможность управления положением и формой зеркальной фотонной струи.

Задачей настоящего изобретения является устранение указанного недостатка, а именно получение возможности управлять управления положением и формой зеркальной фотонной струи.

Указанная задача достигается тем, что в способе формирования зеркальной фотонной струи, включающий облучение электромагнитным излучением диэлектрической частицы, формирующей фотонную струю и выполненной с усеченной формой поверхности кубоида, усеченной сферы или диска, с характерным размером, сравнимым с длиной волны падающего излучения, размещения на плоском основании диэлектрической частицы со стороны, противоположной облучению электромагнитным излучением отражающего падающее излучение экрана, новым является то, что в отражающем экране выполняется полость или отверстие непосредственно под основанием диэлектрической частицы, расположенной по центру оптической оси диэлектрической частицы, и с характерным размером, не превышающим размер основания диэлектрической частицы, а толщина отражающего экрана выбирается более толщины скин слоя.

Заявляемый способ формирования зеркальной 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 формирования зеркальной фотонной струи с мезоразмерной диэлектрической усеченной сферой (а); с мезоразмерным диэлектрическим кубоидом (квадратной пластиной) (б); с мезоразмерным диэлектрическим диском (в).

На фиг. 2 пример формирования зеркальной фотонной струи мезоразмерной диэлектрической усеченной сферической частицей на отражающем электромагнитное излучение экране.

Обозначения: 1 - падающее на мезоразмерную диэлектрическую частицу излучение с плоским волновым фронтом, 2 - зеркальная фотонная струя, 3 - мезоразмерная диэлектрическая частица в форме усеченной сферы; 4 - отражающий электромагнитное излучение экран; 5 - полость или отверстие в отражающем экране; 6 - мезоразмерная диэлектрическая частица в форме кубоида (квадратной пластины); 7 - мезоразмерная диэлектрическая частица в форме диска.

Работа устройства происходит следующим образом. Электромагнитное излучение с плоским волновым фронтом 1, сформированное источником излучения, например, лазером, диодом Ганна, лампой обратной волны освещает мезоразмерную диэлектрическую частицу в форме усеченной сферы 3 или кубоида (квадратной пластины) 6 или диска 7. Мезоразмерные диэлектрические частицы 3, 6, 7 располагаются своим плоским основанием на плоском отражающем излучении экране 4. Толщина отражающего экрана 4 выбирается более толщины скин слоя, что обеспечивает максимальное отражение электромагнитного излучения 1. В отражающем электромагнитное излучение экран 4 выполняется полость или отверстие 5, которые располагаются непосредственно под основанием диэлектрической частицы (3, 6, 7), расположенной по центру оптической оси диэлектрической частицы, и с характерным размером, не превышающим размер основания диэлектрической частицы.

В результате дифракции электромагнитного излучения 1 на диэлектрической частице (3, 6, 7) и интерференции с отраженными волнами от экрана 4 и полости или отверстия 5 формируется зеркальная фотонная струя 2.

Управление положением и формой зеркальной фотонной струи 2 осуществляется за счет изменения геометрии полости или отверстия 5, включая ширину, глубину и формы полости или отверстия.

В качестве примера осуществления способа рассматривалось устройство с мезоразмерной диэлектрической частицей в форме усеченной сферы с диаметром основания 1.4λ или кубоида (квадратной пластины) и диска, выполненной из материала с показателем преломления равного 1.50 на частоте освещающего излучения равного 150 ГГц (λ=2 мм), где λ длина волны излучения. Высота усеченной сферы равнялась 0,3λ. Диэлектрическая частица устанавливалась на отражающем экране из алюминия толщиной (1,5-2)λ.

Установлена зависимость фокусного расстояния фотонной струи, ширины фотонной струи и интенсивности электромагнитного поля в фокусе от диаметра отверстия (полости) в отражающем экране. При этом для диэлектрических частиц в форме усеченной сферы, кубоида (квадратной пластины) и диска указанные зависимости сохраняются. Так, например, обнаружено, что с увеличением характерного диаметра отверстия (полости) при глубине полости равно 0,5λ изменение фокусного расстояния фотонной струи становится более плавным по сравнению с глубиной полости 0,3λ, при этом ширина фотонной струи (FWHM), определяемая как полная ширина на половине высоты профиля интенсивности с увеличением ширины полости уменьшается, а интенсивность электромагнитного поля в фокусе изменяется немонотонно, табл. 1.

Таблица 1

диаметр полости (отверстия), λ 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Фокусное расстояние фотонной струи, λ 0,2 0,18 0,16 -0,07
фокус в материале диэлектрика -0,06
фокус в материале диэлектрика -0,12
фокус в материале диэлектрика FWHM, определяемая как полная ширина на половине высоты профиля интенсивности, λ 0,42 0,44 0,36 0,31 0,25 0,30 I_мax/I₀, % 100 92 88 66 71 75

Уменьшение величины ширины фотонной струи (FWHM) обусловлено уменьшением величины фокусного расстояния при увеличении ширины полости (отверстия). Происходит перемещение фокуса фотонной струи в сторону отражающего экрана по мере увеличения диаметра полости (отверстия) и при этом уменьшается протяженность фотонной струи.

Изменение I_мax/I₀, где I_мax - интенсивность электромагнитного поля в фокусе фотонной струи, I₀ интенсивность электромагнитного поля в освещающей волне связано с изменением (уменьшением) площади отражающего экрана за счет полости (отверстия) и облучением диэлектрической частицы по ее периферии.

Исследование влияния глубины полости (отверстия) в диапазоне от 0,003λ до 0,5λ на фокусное расстояние зеркальной фотонной струи показало, что происходит перемещение фокуса фотонной струи в сторону отражающего экрана по мере увеличения глубины полости (отверстия) и при глубине полости равной 0,5λ фокус находится в материале диэлектрика. Изменение фокусного расстояния составило 10 раз, а ширина фотонной струи (FWHM) уменьшается с увеличением глубины полости в 1,8 раза, табл. 2.

Таблица 2

Глубина полости (отверстия), λ 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Фокусное расстояние фотонной струи, λ 0,7 0,67 0,54 0,36 0,0 -0,07 фокус в материале диэлектрика FWHM, определяемая как полная ширина на половине высоты профиля интенсивности, λ 0,52 0,51 0,41 0,31 0,3 0,28 I_мax/I₀, % 72 78 83 85 91 100

Таким образом, положение и форма зеркальной фотонной струи зависит от геометрических параметров полости (отверстия).

Зависимость характеристик зеркальной фотонной струи от геометрических параметров полости (отверстия) позволяет производить измерение размеров полости (дырки) от миллиметрового до нанометрового диапазонов при масштабировании устройств, реализующих предлагаемый способ при переходе в СВЧ либо терагерцовый, либо оптический диапазон длин волн.

Изобретение относится к технике СВЧ, включая терагерцовый и оптический диапазоны длин волн. Способ формирования зеркальной фотонной струи включает облучение электромагнитным излучением диэлектрической частицы, формирующей фотонную струю и выполненной с усеченной формой поверхности, например кубоида, или усеченной сферы, или диска, с характерным размером, сравнимым с длиной волны падающего излучения, размещения на плоском основании диэлектрической частицы со стороны, противоположной облучению электромагнитным излучением отражающего падающее излучение экрана, при этом в отражающем экране выполняется полость или отверстие непосредственно под основанием диэлектрической частицы, расположенной по центру оптической оси диэлектрической частицы, и с характерным размером, не превышающим размер основания диэлектрической частицы, а толщина отражающего экрана выбирается более толщины скин слоя. Технический результат - возможность управлять положением и формой зеркальной фотонной струи. 2 ил., 2 табл.

Способ формирования зеркальной фотонной струи, включающий облучение электромагнитным излучением диэлектрической частицы, формирующей фотонную струю и выполненной с усеченной формой поверхности кубоида, усеченной сферы или диска, с характерным размером, сравнимым с длиной волны падающего излучения, размещения на плоском основании диэлектрической частицы со стороны, противоположной облучению электромагнитным излучением отражающего падающее излучение экрана, отличающийся тем, что в отражающем экране выполняется полость или отверстие непосредственно под основанием диэлектрической частицы, расположенной по центру оптической оси диэлектрической частицы, и с характерным размером, не превышающим размер основания диэлектрической частицы, а толщина отражающего экрана выбирается более толщины скин слоя.