Способ формирования фотонной струи линзой с показателем преломления более 2 Российский патент 2025 года по МПК G02B27/58 B29D11/00 

Настоящее изобретение относится к способу формирования фотонной струи сферической линзой с относительным показателем преломления более 2, а более точно касается сферической (шарообразной) однородной диэлектрической линзы и диэлектрической линзы в форме прямого кругового цилиндра.

Собирающая сферическая линза – это прозрачный однородный элемент, ограниченный двумя сферическими поверхностями. Цилиндрическая оптическая линза имеет одну цилиндрическую поверхность, в результате чего свет фокусируется в одном измерении или оси. Цилиндрическая линза в виде прямого кругового цилиндра в направлении перпендикулярной его оси действует как обычная сферическая линза.

Однородные шарообразная диэлектрическая и цилиндрическая линзы преобразуют падающее электромагнитное излучение с плоским волновым фронтом за счет преломления излучения на границе раздела воздух – диэлектрик в область фокусировки излучения, формирующейся со стороны теневой поверхности линз.

Известен способ фокусировки излучения шарообразной однородной диэлектрической линзой, предложенный Антонио ван Левенгуком (1632–1723) [J van Zuylen. The microscopes of Antoni van Leeuwenhoek // J Microschttps://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/?term=%22J+Microsc%22%5Bjour%5D&sort=date&sort_order=deschttps://www.ncbi.nlm.nih.gov/nlmcatalog?term=%22J+Microsc%22%5BTitle+Abbreviation%5Dhttps://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/7012367/. 1981 Mar;121(Pt 3):309-28.  doi: 10.1111/j.1365-2818.1981.tb01227.x.], заключающийся в изготовлении шарообразной однородной диэлектрической линзы из материала с показателем преломления равным 1.54, установке ее в крошечном отверстии в латунной пластине и облучении ее оптическим излучением с плоским волновым фронтом.

Чтобы повысить разрешение используют диэлектрики с высокими значениями показателя преломления.

Известен способ формирования суб волновой области фокусировки излучения [D. S. Ponomarev, D. V. Lavrukhin, N. V. Zenchenko, T. V. Frolov, I. A. Glinskiy, R. A. Khabibullin, G. M. Katyba, V. N. Kurlov, T. Otsuji, AND K. I. Zaytsev. Boosting photoconductive large-area THz emitter via optical light confinement behind a highly refractive sapphire-fiber lens // Optics Letters, Vol. 47, No. 7/1, April 2022, doi.org/10.1364/OL.452192 или Д.С. Пономарев, Д.В. Лаврухин, Н.В. Зенченко, И.А. Глинский, Р.А. Хабибуллин, В.Н. Курлов, К.И. Зайцев. Локализация энергии лазерного излучения в оптико-терагерцевом преобразователе ультракоротких ИК-импульсов при помощи профилированных сапфировых волокон // Письма в ЖТФ, 2022, том 48, вып. 23; N. V. Zenchenko, D. V. Lavrukhin, R. R. Galiev, A. E. Yachmenev, R. A. Khabibullin, I. N. Dolganova, V. N. Kurlov, T. Otsuji, K. I. Zaytsev, and D. S. Ponomarev. Enhanced terahertz emission in a large-area photoconductive antenna through an array of tightly packed sapphire fibers \\ Appl. Phys. Lett. 124, 121107 (2024); doi: 10.1063/5.0194236] состоящий в изготовлении цилиндрических волокон с высоким показателем преломления N>3, например, из сапфира, облучения электромагнитным излучением с плоским волновым фронтом терагерцового диапазона длин волн по нормали к оптической оси цилиндрического волокна по его боковой поверхности и формирования на теневой стороне цилиндрического волокна суб волновой области фокусировки излучения. При этом цилиндрические волокна могут располагаться в форме двумерного монослоя.

Недостатком способа является то, что пространственное разрешение жгута цилиндрических волокон определяется периодом упаковки волокон, который не может быть меньше диаметра отдельного волокна. Уменьшение диаметра цилиндрического волокна приводит к уменьшению интенсивности электромагнитного поля в области фокусировки излучения.

Известен способ формирования суб волновой области фокусировки излучения [Zengbo Wang, B. Luk”yanchuk. Super-Resolution Imaging and Microscopy by Dielectric Particle-Lenses. In: Astratov, V. (eds) Label-Free Super-Resolution Microscopy. Biological and Medical Physics, Biomedical Engineering. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-030-21722-8_15] состоящий в изготовлении диэлектрических сферических частиц с высоким показателем преломления, например, наночастиц TiO₂, плотной упаковки их в трехмерную форму с непосредственным контактом между частицами, облучении диэлектрических частиц электромагнитной волной со сформированными плоским волновым фронтом, формированием горячих точек электрического поля между контактирующими сферическими частицами и направления оптического излучения от горячих точек к нижлежащему слою диэлектрических сфер.

Достоинством способа является то, что разрешение определяется размером частиц, а не длиной волны.

Недостатком способа является то, что пространственное разрешение матрицы сферических частиц определяется периодом упаковки частиц, который не может быть меньше диаметра отдельной частицы. Уменьшение диаметра сферической частицы приводит к уменьшению интенсивности электромагнитного поля в области фокусировки излучения.

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.

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 конструирования волноводов с малыми потерями энергии, для лазерной хирургии, усиления флуоресценции, для обнаружения наночастиц, в устройствах для лазерная очистка поверхности и т.д.

Известен способ субволновой фокусировки излучения шарообразной однородной диэлектрической линзой [A. V. Maslov, B. Jin & V. N. Astratov. Wave optics of imaging with contact ball lenses // (2023) 18:6688 https://doi.org/10.1038/s41598-023-32826-8], состоящей в изготовлении в изготовлении шарообразной однородной диэлектрической линзы из материала с показателем преломления в диапазоне не менее 1.3 и не более 2.1, относительным диаметром 30<D/λ<4000 и облучении ее оптическим излучением с плоским волновым фронтом.

Известен способ фокусировки оптического излучения диэлектрической однородной частицей в виде сферы, обладающей свойствами сверхразрешения (фокусировка в виде фотонной струи), заключающийся в изготовлении слабопоглощающей однородной сферической частицы с диаметром, сравнимым с длиной волны падающего излучения и выполненной из материала с относительным показателем преломления менее 2, облучении сферической частицы оптическим излучением с формированным плоским фронтом и формировании на теневой поверхности сферической частицы фотонной струи вдоль направления распространения излучения [Патенты РФ 172658, 153686; WO/2013/043818; 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).; 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].

Известен способ фокусировки электромагнитного излучения диэлектрической однородной частицей в виде сферы, обладающей свойствами сверхразрешения (фокусировка в виде электромагнитной (фотонной струи)), заключающийся в изготовлении слабопоглощающей однородной сферической частицы с диаметром, сравнимым с длиной волны падающего излучения и выполненной из материала с относительным показателем преломления менее 2, облучении сферической частицы электромагнитным излучением с формированным плоским фронтом и формировании на теневой поверхности сферической частицы электромагнитной струи вдоль направления распространения излучения [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); S. C. Kong, A. V. Sahakian, A. Heifetz, A. Taflove, and V. Backman, Robust detection of deeply subwavelength pits in simulated optical data-storage disks using photonic jets // Applied Physics Letters, vol. 92, May 200863 (2008).].

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].

Общим недостатком известных способов является то, что параметры формируемой фотонной (электромагнитной) струи, такие как максимальное усиление электрического поля, эффективная длина и положение области фокусировки, преимущественно определяются исходным диэлектрическим материалом фокусирующей частицы (его показателем преломления), что затрудняет настройку этих параметров в режиме реального времени и формирования фотонной (электромагнитной) струи диэлектрическими частицами с показателем преломления более 2.

В качестве прототипа выбран способ формирования фотонной струи мезоразмерной диэлектрической однородной частицей, заключающийся в изготовлении мезоразмерной слабопоглощающей однородной в виде сферы или прямого кругового цилиндра с диаметром, сравнимым с длиной волны падающего излучения и выполненных из материала с относительным показателем преломления менее 2, облучении диэлектрической частицы оптическим излучением с формированным плоским фронтом и формировании на теневой поверхности диэлектрической частицы фотонной струи вдоль направления распространения 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)].

Недостатком известного способа является невозможность эффективного управления параметрами (интенсивностью, размерами фокальной области) фотонной (электромагнитной) струи формируемой диэлектрическими однородными сферой и диэлектрическим прямым круговым цилиндром в режиме реального времени и формирования фотонной (электромагнитной струи) диэлектрическими частицами с показателем преломления более 2.

Задачей заявляемого технического решения является разработка способа формирования фотонной струи линзой с показателем преломления более 2 и эффективного управления параметрами (интенсивностью, размерами фокальной области) фотонной (электромагнитной) струи в режиме реального времени.

Это достигается тем, что применяемый способ формирования фотонной струи линзой с показателем преломления более 2, включающий изготовление мезоразмерной слабопоглощающей однородной диэлектрической частицы в виде сферы или прямого кругового цилиндра с диаметром, сравнимым с длиной волны падающего излучения, облучении диэлектрической частицы оптическим излучением со сформированным плоским фронтом и формировании на теневой поверхности диэлектрической частицы фотонной струи вдоль направления распространения излучения, новым является то, что мезоразмерная слабопоглощающая однородная диэлектрическая частица в виде сферы или прямого кругового цилиндра выполняется из материала с относительным показателем преломления более 2, диэлектрическая частица покрывается слоем графена и производят изменение химического потенциала графена до момента формирования фотонной струи.

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

Из технической литературы известно, что графен, известный своими необычными свойствами, считается одним из наиболее перспективных материалов для ТГц приложений и широко используется при проектировании различных устройств [Leonardo Viti, Alisson R. Cadore, Xinxin Yang, Andrei Vorobiev, Jakob E. Muench, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Jan Stake, Andrea C. Ferrari and Miriam S. Vitiello. Thermoelectric graphene photodetectors with sub-nanosecond response times at terahertz frequencies // Nanophotonics 10 (1) (2020) 89–98; Leonardo Viti, David G. Purdie, Antonio Lombardo, Andrea C. Ferrari, and Miriam S. Vitiello. HBN-Encapsulated, Graphene-based, Room-temperature Terahertz Receivers, with High Speed and Low Noise // Nano Letters 20 (5) (2020) 3169–3177; Sebastián Castilla, Bernat Terrés, Marta Autore, Leonardo Viti, Jian Li, Alexey Y. Nikitin, Ioannis Vangelidis, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Elefterios Lidorikis, Miriam S. Vitiello, Rainer Hillenbrand, Klaas-Jan Tielrooij and Frank H.L. Koppens. Fast and Sensitive Terahertz Detection Using an Antenna-Integrated Graphene pn Junction // Nano Letters 19 (5) (2019) 2765–2773].

Свойства графена можно эффективно настраивать, применяя внешнее электромагнитное поле или падающее оптическое возбуждение. Увеличение химического потенциала достигается путем легирования графена или приложением внешнего электрического поля [Kim S.J., Park S.J., Kim H.Y. Characterization of chemical doping of graphene by in-situ Raman spectroscopy // Appl.Phys.Lett. -2016. -Vol.108. - No.203111; О.А. Голованов, Г.С. Макеева, А.Б. Ринкевич. Взаимодействие электромагнитных волн с периодическими решетками микро- и нанолент графена в терагерцовом диапазоне // Журнал технической физики, 2016, том 86, вып. 2, с. 119-126].

Нанесение графена на сферическую поверхность или цилиндрическую поверхность возможно, например, методами описанными в [Shiva Hayati Raad and Zahra Atlasbaf. Tunable optical meta-surface using graphene-coated spherical nanoparticles // AIP Advances 9, 075224 (2019); doi: 10.1063/1.5101000; C. L. Wang , Y. Q. Wang, H. Hu, G. Ao and L. G. Ao. Reconfigurable sensor and nanoantenna by graphene-tuned Fano resonance // Vol. 27, No. 24 / 25 November 2019 Optics Express 35925 doi.org/10.1364/OE.27.035925].

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

На Фиг. 1 приведена схема устройства, реализующего предлагаемый способ для диэлектрической сферы с нанесенным на ее поверхность слоем графена (А) и для диэлектрического прямого кругового цилиндра с нанесенным на его поверхность слоем графена (Б).

На Фиг. 2 показано распределение интенсивности электрического поля вблизи поверхности диэлектрической сферы, освещаемой ТГц излучением на частоте 0,7 ТГц τ = 7·10^-13 с, расположенной в воздухе в зависимости от химического потенциала графена (по горизонтали соответственно 0.0 eV, 0.1 eV, 0.2 eV, 0.3 eV, 0.4 eV, 0.5 eV, 0.6 eV. Численные расчеты проводились для сферы диаметром 5.35λ и показателями преломления 1,43, 2,5, 3,4 и 5,5 соответственно (по вертикали). Показатель преломления окружающей среды предполагался равным 1. Для расчета рассеянного поля применялся так называемый операторный подход [Andrey Novitsky and Leonid Barkovsky. Matrix approach for light scattering from a multilayered rotationally symmetric bianisotropic sphere // Phys. Rev. A 77, 033849 (2008); Andrey Novitsky, Cheng-Wei Qiu, and Haifeng Wang. Single Gradientless Light Beam Drags Particles as Tractor Beams // Phys. Rev. Lett.107, 203601 (2011); Andrey Novitsky, Alexander S. Shalin, and Andrei V. Lavrinenko. Spherically symmetric inhomogeneous bianisotropic media: Wave propagation and light scattering // Phys. Rev. A 95, 053818 (2017)] на основе симметрии рассеивающего объекта.

На Фиг. 3 приведено распределение интенсивности электрического поля вдоль направления падения электромагнитной волны для сферической частицы покрытой графеном с показателем преломления 3.4 в зависимости химического потенциала графена.

Обозначения: 1 – электромагнитное излучение со сформированной плоским волновым фронтом; 2 – диэлектрическая однородная сфера из материала с относительным показателем преломления больше 2; 3 – слой графена, нанесенного на диэлектрическую сферу; 4 – осесимметричная фотонная (электромагнитная) струя; 5 - диэлектрический однородный прямой круговой цилиндр из материала с относительным показателем преломления больше 2; 6 - слой графена, нанесенного на диэлектрический прямой круговой цилиндр; 7 – «плоская» фотонная (электромагнитная) струя; 8 – устройство изменения химического потенциала графена, например, за счет приложением внешнего электрического поля.

Работа устройства, реализующего способ, происходит следующим образом. В качестве источника монохроматического электромагнитного излучения может выступать, например, лазер 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], сформированное источником электромагнитное излучение 1 в виде электромагнитной волны с плоским волновым фронтом, облучает сферическую диэлектрическую однородную мезоразмерную частицу 2 или диэлектрический однородный прямой круговой цилиндр 5 из материала с относительным показателем преломления больше 2, изготовленные из диэлектрика прозрачного для используемого излучения.

На поверхность мезоразмерных сферической 2 или цилиндрической диэлектрической частицы 5 наносится слой графена 3, 6. В результате дифракции и интерференции освещающей волны 1 на сферической или цилиндрической частицах непосредственно на их теневой поверхности может формироваться фотонная (электромагнитная) струя 4, 7 при изменении химического потенциала графена устройством 8, например, за счет внешнего электрического поля.

В результате проведенных исследований было установлено, что когда энергия Ферми графена равна 0 (левый столбец на Фиг. 2), проводимость графена равна нулю, что приводит к «классическому» рассеянию электромагнитной волны на диэлектрической сфере. При показателе преломления N=1,43 наблюдается узкий луч высокой интенсивности (электромагнитная струя), распространяющийся от непосредственно теневой стороны диэлектрической сферы. При всех N > 2 падающий свет фокусируется внутри сферической частицы.

Как показано на Фиг. 2, добавление слоя графена существенно меняет распределение электромагнитного поля вблизи поверхности диэлектрической сферы.

Установлено, что при N = 1,43 положение фокуса электромагнитной струи смещается в сторону сферы по мере увеличения химического потенциала графеновой оболочки, а длина электромагнитной струи увеличивается почти в два раза по сравнению со сферой без графенового слоя. С увеличением химического потенциала графеновой оболочки наблюдается уменьшение интенсивности электромагнитной струи, что качественно можно объяснить увеличением поглощения излучения в графеновой оболочке.

Противоположное поведение наблюдается для структуры диэлектрическое ядро с показателем преломления N=3.4 и оболочка из графена. Установлено, что при химическом потенциале графеновой оболочки, находящемся в диапазоне от 0.36 eV до 0.46 eV формируется электромагнитная струя.

Таким образом, впервые показано, что возможно формирование электромагнитной струи на теневой поверхности сферической частицы из материала с относительным показателем преломления более 2.

Более того, по мере увеличения химического потенциала в указанном диапазоне ширина сформированного электромагнитной струи на полувысоте уменьшается примерно на 78%, а максимальная интенсивность одновременно увеличивается примерно в 55 раз. Максимальная интенсивность электромагнитной струи сферы с показателем преломления 3.4 и графеновой оболочкой более чем в 6 раз больше, чем у сферы с показателем преломления 1.43 без графеновой оболочки.

Из технической литературы известны материалы с показателем преломления более 2, например, кремний имеет показатель преломления 3.41, германий 4.0, арсенид галлия 3.6, керамика на основе AL₂O₃ 3.03, ферриты: 1С44 3.62, 10 СЧ46 3.9 [Minin O.V., Minin I.V. Diffractional optics of millimeter waves.-Bristol and Philadelphia: Institute of Physics Publishing, 2004. – 396 p.] и т.д.

Таким образом, просто варьируя уровень химического потенциала графена, можно управлять энергетическими характеристиками и пространственными размерами генерируемой электромагнитной струи для материалов с относительным показателем преломления N> 2.

Изобретение относится к способам формирования фотонной струи линзой с показателем преломления более 2. Способ включает изготовление мезоразмерной слабопоглощающей однородной диэлектрической частицы в виде сферы или прямого кругового цилиндра с диаметром, сравнимым с длиной волны падающего излучения, облучение диэлектрической частицы оптическим излучением со сформированным плоским фронтом и формирование на теневой поверхности диэлектрической частицы фотонной струи вдоль направления распространения излучения. Указанная частица выполнена в виде сферы или прямого кругового цилиндра из материала с относительным показателем преломления более 2, при этом диэлектрическая частица покрывается слоем графена и производится изменение химического потенциала графена до момента формирования фотонной струи. Изобретение обеспечивает эффективное управление параметрами (интенсивностью, размерами фокальной области) фотонной струи в режиме реального времени и формирование фотонной струи диэлектрическими частицами с показателем преломления более 2. 3 ил.

Способ формирования фотонной струи линзой с показателем преломления более 2, включающий изготовление мезоразмерной слабопоглощающей однородной диэлектрической частицы в виде сферы или прямого кругового цилиндра с диаметром, сравнимым с длиной волны падающего излучения, облучение диэлектрической частицы оптическим излучением со сформированным плоским фронтом и формирование на теневой поверхности диэлектрической частицы фотонной струи вдоль направления распространения излучения, отличающийся тем, что мезоразмерная слабопоглощающая однородная диэлектрическая частица в виде сферы или прямого кругового цилиндра выполняется из материала с относительным показателем преломления более 2, диэлектрическая частица покрывается слоем графена и производят изменение химического потенциала графена до момента формирования фотонной струи.