Результат интеллектуальной деятельности: КВЧ варифокальная линза

Изобретение относится к КВЧ варифокальным фокусирующим устройствам с переменным фокусом без использования системы подвижных линз и предназначенных для фокусировки когерентного излучения в т.н. «фотонную струю». Данное устройство может быть использовано в системах передачи энергии в крайне высокочастотном (КВЧ) диапазоне и терагерцовом диапазоне частот, изображающих планарных устройствах, КВЧ микроскопах, устройствах интегральной квазиоптики, для соединения оптических волноводов, для ввода излучения в волноводы и т.д.

Известны жидкостные линзы с переменным фокусным расстоянием, получаемые за счет вращения жидкости [А.С. СССР 1296977, Фокусирующий оптический элемент с регулируемым фокусным расстоянием, Опубликовано: 15.03.1987, Бюл. №10].

Известна линза с переменным фокусным расстоянием [А.С. СССР 1453358, Опубликовано: 23.01.1989, Бюл. 3; А.С. СССР 13769. Объектив с жидкой преломляющей средой. Опубликовано 31 марта 1930 г.], в которой форма поверхности жидкостной линзы изменяется в зависимости от объема оптически прозрачной жидкости.

Известна электроуправляемая асферическая линза с переменным фокусным расстоянием [А.С.СССР 489058. Оптическая линза с переменным фокусным расстоянием. Опубликовано: 25.10.1975. Бюл. 39]. Линза с электрическим управлением фокусного расстояния состоит из полой стеклянной линзы, внутрь которой введены электроды и залит раствор серной кислоты. Изменение фокусного расстояния линзы происходит в результате изменения показателя преломления раствора серной кислоты при изменении управляющего напряжения.

Известно оптическое устройство с изменяемыми оптическими параметрами, которое может быть использовано в производстве миниатюрных объективов с переменным фокусным расстоянием [Патент РФ 2282221, Оптический элемент. Опубликовано: 20.08.2006, Бюл. № 23]. Устройство содержит контейнер в котором размещено две прозрачные в области рабочих длин волн несмешивающиеся жидкости с различными показателями преломления. Первая является диэлектриком, а вторая обладает свойствами электропроводности. Жидкости взаимодействуют между собой с образованием разделяющей их межфазной поверхности.

Кривизна поверхности определяет оптические параметры оптического элемента. Для управления кривизной этой межфазной поверхности контейнер оснащен электродами.

Известен управляемый оптический элемент, описанный в [Patent US №6369954], в котором оптическая поверхность сформирована на границе раздела двух несмешивающихся жидкостей с различными показателями преломления.

Известны оптические устройства с изменяемыми оптическими параметрами, основанные на использовании деформируемых оптических элементов. Например, в устройствах, описанных в [Patent US №5138494; Патент РФ №2234722; Патент РФ №2046388], применен оптический элемент, состоящий из двух линз, первая из которых представляет собой линзу с фиксированными параметрами, а вторая - деформируемую жидкостную линзу с изменяемыми оптическими параметрами. Вторая линза с одной стороны ограничена поверхностью первой линзы, а с другой - прозрачной деформируемой мембраной, при этом пространство между мембраной и первой линзой заполнено прозрачной жидкостью постоянного объема. Показатели преломления жидкости, мембраны и первой линзы выбраны как можно ближе друг к другу. Прозрачная деформируемая мембрана заключена в жестком кольцевом ободе, который соединен с периферийной частью первой линзы гибкой перемычкой, дающей возможность для изменения расстояния между ободом мембраны и первой линзой. Изменение расстояния между ободом мембраны и первой линзой осуществляется механическим приводом, например винтовым. При изменении этого расстояния жидкость, заполняющая объем между мембраной и первой линзой, изменяет прогиб мембраны, что приводит к изменению фокусного расстояния оптического элемента.

Известен оптический элемент, описанный в [Патент РФ №2037164], в котором изменение фокусного расстояния осуществляется под воздействием электрического поля. Этот оптический элемент содержит изготовленную из прозрачного диэлектрического материала дискообразную кювету, в полость которой введена капля прозрачной диэлектрической жидкости, например глицерина. Размер полости кюветы в направлении светового потока выбран, исходя из величины капиллярной постоянной системы "жидкость - материал кюветы", таким образом, что обеспечивается капиллярный эффект сцепления жидкости со стенками кюветы. В лицевой стенке кюветы (первой со стороны светового потока) выполнена круглая выемка, в зоне которой образуется гибкий деформируемый участок свободной поверхности жидкости - своеобразная жидкая деформируемая линза, кривизна поверхности которой зависит от сил поверхностного натяжения и объемного давления. На наружных поверхностях обеих стенок кюветы, расположенных на пути светового потока, а также на внутренней поверхности лицевой стенки вокруг указанной выемки, размещены прозрачные пленочные электроды, например, из In₂O₃. Эти электроды через схему управления подключены к источнику питания, создающему в пространстве между электродами электрическое поле, которое воздействует на силы поверхностного натяжения и объемного давления в жидкой линзе. В результате воздействия электрического поля жидкая линза деформируется, меняется кривизна ее поверхности и, следовательно, преломляющие свойства, что приводит к изменению фокусного расстояния оптического элемента.

Достоинством известных устройств является возможность изменения фокусного расстояния, а недостатком является низкое пространственное разрешение, не достигающего дифракционного предела.

Известна варифокальная жидкая линза в виде сидячей капли электропроводной жидкости на диэлектрической подложке, покрытой тонким слоем диэлектрика, а между подложкой и диалектиком вмонтирована сеть управляющих электродов [Krupenkin Т., Yang S., Mach P Tunable liquid microlens. // Appl. Phys. Lett., 82(3), 316-318, 2003]. Управление фокусным расстоянием такой линзы осуществляется путем изменения ее кривизны, в зависимости от прикладываемого к электродам электрического напряжения.

Данная линза не предназначена для фокусировки электромагнитного излучения КВЧ диапазона, низкое пространственное разрешение, не достигающего дифракционного предела.

Известна варифокальная жидкая линза, представляющая собой каплю жидкости, поглощающую излучение в объеме капли и сидящую на твердой прозрачной подложке, причем перестройка фокусного расстояния капли обусловлена изменением кривизны ее свободной поверхности из-за теплового воздействия лазерного пучка на каплю, под действием термокапиллярных сил, возбуждаемых тепловым воздействием лазерного пучка на каплю, а величина и знак кривизны и фокусного расстояния определяются мощностью лазерного пучка [Патент РФ 2652522. Варифокальная жидкая линза. Опубликовано: 26.04.2018 Бюл. No 12].

Достоинством варифокальной жидкой линзы является бесконтактное управление формой ее поверхности от режима собирающей, до режима рассеивающей линзы. Изменение фокусного расстояния линзы в виде капли нелетучей жидкости сидячей на прозрачной подложке происходит вследствие деформации ее свободной поверхности, вызываемой центробежными термокапиллярными силами, индуцированными тепловым воздействием управляющего лазерного пучка, при этом величина и знак фокусного расстояния определяются мощностью управляющего пучка.

Данное устройство не предназначено для фокусировки электромагнитного излучения КВЧ диапазона, а также имеет низкое пространственное разрешение, не достигающего дифракционного предела.

С помощью классических линз и объективов невозможно получить сфокусированный пучок с размером перетяжки (в поперечном относительно направления распространения излучения) размером меньше дифракционного предела.

Известно, что фундаментальный рэлеевский критерий разрешения оптических систем заключается в том, что минимальный размер различимого объекта несколько меньше длины волны используемого излучения и принципиально ограничен дифракцией этого излучения [Борн М., Вольф Э. Основы оптики. - М.: Мир, 1978]. Невозможность сфокусировать свет в свободном пространстве в пятно с размерами меньше некоторого дифракционного предела следует и из соотношения неопределенностей Гейзенберга [Minin I.V., Minin O.V. Experimental verification 3D subwavelength resolution beyond the diffraction limit with zone plate in millimeter wave // Microwave and Optical Technology Letters, Vol. 56, No. 10, October 2014, 2436-2439].

Под преодолением дифракционного предела понимается фокусировка излучения в пятно с размерами меньше, чем у пятна Эйри [Борн М., Вольф Э. Основы оптики. - М.: Мир, 1978].

Проблема "сверхфокусировки" при рассеянии световой волны на прозрачной диэлектрической твердотельной мезоразмерной частицы с различной формой поверхности обсуждались различными научными группами [Minin, I.V. and O.V. Minin. 2016. Diffractive Optics and Nanophotonics: Resolution Below the Diffraction Limit. New York: Springer; Lukiyanchuk, B., R. Paniagua-Domínguez, I. V. Minin, O. V. Minin and Z. Wang. 2017. Refractive index less than two: photonic nanojets yesterday, today and tomorrow. Opt. Mat. Express 7(6): 1820-1847; Minin, I. V., O. V. Minin and Y. Geintz. 2015. Localized EM and photonic jets from non-spherical and non-symmetrical dielectric mesoscale objects: brief review. Annalen der Physik 527(7-8):491-497]. Такие микрочастицы-линзы могут формировать области фокусировки вблизи их теневых поверхностей, называемой фотонной струей. Фотонная струя - это область фокусировки излучения с субволновыми размерами вблизи диэлектрической частицы. Фотонная струя возникает в области теневой поверхности диэлектрических микрочастиц - в т.н. ближней зоне дифракции - и характеризуется сильной пространственной локализацией и высокой интенсивностью оптического поля в области фокусировки [A. Heifetzetal. Photonic nano jets // J. Comput. Theor. Nanosci. 2009 September 1; 6(9): 1979-1992. doi:10.1166/jctn.2009.1254]. Фотонная струя характеризуется высоким значением пространственного разрешения до λ/3-λ/4, превышающий дифракционный предел и высокой интенсивностью излучения.

Такие мезоразмерные диэлектрические фокусирующие устройства применяются в оптическом диапазоне длин волн и в СВЧ, КВЧ диапазонах, включая терагерцовый диапазон длин волн [Минин И.В., Минин О.В. Квазиоптика: современные теденции развития - Новосибирск: СГУГиТ, 2015. - 163 с.; Минин И.В., Минин О.В. Фотонные струи в науке и технике // Вестник СГУГИТ, Т. 22, № 2, 2017, с. 212-234; V. Pacheco-Pena, M. Beruete, I.V. Minin, and O.V. Minin, “Terajets produced by dielectric cuboids,” Appl. Phys. Lett. 105, 084102 (2014); V. Pacheco-Pena, M. Beruete, I.V. Minin, and O.V. Minin, “Multifrequency focusing and wide angular scanning of terajets,” Opt. Lett. 40, 245-248 (2015)].

В качестве прототипа выбрано фокусирующее устройство по работе [Ibrahim Mahariq, Ibrahim H. Giden, Igor V. Minin, Oleg V. Minin, and Hamza Kurt. Strong electromagnetic field localization near the surface of hemicylindrical particles. Optical and Quantum Electronics (2017) 49:423]. Устройство состоит из мезоразмерной плоско-выпуклой сферической диэлектрической частицы с относительным показателем преломления по отношению к окружающему пространству изменяющегося в диапазоне от 1,2 до 2, с диаметром частицы не менее λ, где λ - длина волны излучения освещающего частицу со стороны ее плоского основания.

Недостатком устройства является невозможность бесконтактным методом управлять ее фокусным расстоянием, а достоинством - достижение высокого пространственного разрешения.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка КВЧ варифокальной линзы с высоким пространственным разрешением и возможностью бесконтактным методом управления ее фокусным расстоянием.

Техническим результатом является возможность электрически управлять фокусирующими свойствами мезоразмерного устройства в КВЧ диапазоне с фокусировкой излучения в область с высоким пространственным разрешением.

Задача достигается тем, что КВЧ варифокальная линза состоит из мезоразмерной плоско-выпуклой сферической диэлектрической частицы с относительным показателем преломления по отношению к окружающему пространству изменяющимся в диапазоне от 1,2 до 2, с диаметром частицы не менее λ, где λ - длина волны излучения освещающего частицу со стороны ее плоского основания. В отличие от прототипа частица представляет собой каплю жидкости, поглощающую излучение в объеме капли и сидящую на твердой прозрачной подложке с показателем преломления примерно равного показателю преломления капли, причем перестройка фокусного расстояния капли обусловлена изменением кривизны ее свободной поверхности из-за теплового воздействия электромагнитного излучения на каплю, под действием термокапиллярных сил, а диаметр формирующего пучка электромагнитного излучения не превышает примерно 0,2 диаметра капли. Кроме того, в качестве материала капли используется октан. Кроме того, в качестве материала капли используется нонан. Кроме того, в качестве материала капли используется декан. Кроме того, в качестве материала капли используется циклогекса́н.

Сущность полезной модели и возможность её осуществления поясняются схематическим чертежом, представленным на Фиг. 1, иллюстрирующим состав и взаимодействие основных частей заявляемой КВЧ варифокальной линзы.

Обозначения на Фиг.1: 1 - формирующий электромагнитный пучок, 2 - освещающий электромагнитный пучок, 3 - диэлектрическая подложка, 4 - диэлектрическая частица в форме жидкой капли, 5 - область фокусировки излучения.

Работа устройства происходит следующим образом. Капля прозрачной жидкости 4 на поверхности подложки 3 представляет собой плоско-выпуклую собирающую линзу и может фокусировать освещающее электромагнитное излучение 2 в область фокусировки излучения 5. При выборе материала капли 4 с относительным показателем преломления по отношению к окружающему пространству изменяющегося в диапазоне от 1,2 до 2, с диаметром частицы не менее λ, где λ - длина волны излучения освещающего частицу со стороны ее плоского основания, частица фокусирует падающее излучение в область фокусировки 5 с пространственным разрешением близким к дифракционному пределу и превышающим его.

Показатель преломления диэлектрической подложки 3 целесообразно выбирать примерно равным показателю преломления капли для уменьшения отражения электромагнитного излучения, возникающего на границе двух сред.

При включении формирующего электромагнитного пучка 1, направленного нормально к основанию капли 4, температура ее свободной поверхности в зоне воздействия пучка повышается, вследствие поглощения излучения в объеме капли, приводя к локальному понижению поверхностного натяжения. В результате на свободной поверхности капли 4 возникает центробежное поле термокапиллярных сил, которые, благодаря вязкости, перемещают жидкость из нагреваемой зоны к холодной кромке капли, вызывая тем самым деформацию ее свободной поверхности, Фиг. 1(б). Форма свободной поверхности и величина ее деформации зависит от мощности формирующего электромагнитного пучка 1. Постепенное увеличение мощности формирующего электромагнитного пучка 1 (показано осью мощности пучка на Фиг. 1) вызывает последовательное изменение свободной поверхности капли 4: уплощение свободной поверхности, приводящее к увеличению радиуса кривизны, а, следовательно, и фокусного расстояния капли 4, Фиг. 1(б), вплоть до момента когда свободная поверхность становится почти плоской, а ее фокусное расстояние стремится к бесконечности.

Изменение знака кривизны, вследствие деформации свободной поверхности капли 4 в виде термокапиллярного углубления, сопровождающееся уменьшением абсолютной величины радиуса кривизны и фокусного расстояния, Фиг. 1(в). В первом случае капля 4 является варифокальной собирающей линзой, а во втором - варифокальной рассеивающей линзой. Уменьшение мощности формирующего пучка 1 позволяет обратимо менять величину и знак фокусного расстояния. Выключение формирующего пучка 1 приводит к релаксации деформации свободной поверхности капли 4, вследствие чего, последняя принимает первоначальную форму.

Экспериментально установлено, что диаметр формирующего пучка электромагнитного излучения должен не превышать примерно 0,2 диаметра капли. В случае превышения диаметра формирующего пучка более примерно 0,2 диаметра капли деформация свободной поверхности капли становится неустойчивой.

В качестве рабочей жидкости в КВЧ диапазонах можно использовать октан, химическая формула - C₈H₁₈, нонан, химическая формула - C₉H₂₀, дека́н, химическая формула - C₁₀H₂₂, циклогекса́н, химическая формула - C₆H₁₂, которые имеют малые потери энергии в этом диапазоне, примерно равные 10^-3 и показатель преломления равный от 1,396 до 1,424 на частоте 475 ГГц [Измерения на миллиметровых и суб-мм. волнах: методы и техника. Валитов Р.А., Макаренко Б.И. (ред.) / Р. А. Валитов, C. Ф. Дюбко, Б. И. Макаренко и др.; Под ред. Р. А. Валитова, Б. И. Макаренко. - М.: Радио и связь, 1984. - 296 с.].

В качестве материала подложки можно использовать фторопласт, полистирол, полиэтилен и т.д., имеющие показатель преломления близкий или равный показателю преломления капли жидкости и малые потери энергии в этом диапазоне [Измерения на миллиметровых и суб-мм. волнах: методы и техника. Валитов Р.А., Макаренко Б.И. (ред.) / Р. А. Валитов, C. Ф. Дюбко, Б. И. Макаренко и др.; Под ред. Р. А. Валитова, Б. И. Макаренко. - М.: Радио и связь, 1984. - 296 с.].

Известно, что потери энергии в капле жидкости и материале подложки в СВЧ (КВЧ) диапазонах на несколько порядков больше, чем в оптическом диапазоне длин волн.

В качестве источников электромагнитной энергии можно использовать лазеры, диоды Ганна, лавинно-пролетные диоды, лампы обратной волны и т.д. соответствующих диапазонов частот [Измерения на миллиметровых и суб-мм. волнах: методы и техника. Валитов Р.А., Макаренко Б.И. (ред.) / Р. А. Валитов, C. Ф. Дюбко, Б. И. Макаренко и др.; Под ред. Р. А. Валитова, Б. И. Макаренко. - М.: Радио и связь, 1984. - 296 с.], при этом диапазон излучения формирующего пучка электромагнитного излучения и фокусируемого излучения могут быть различными.

КВЧ варифокальная линза с возможностью электрически бесконтактно управлять ее фокусным расстоянием и фокусировать электромагнитное излучение крайне высокочастотного диапазона в область с субдифракционным размером из литературы не- известна и ее фокусирующие свойства неочевидны.