RU229581U1 - Photon Hook Formation Device - Google Patents

Полезная модель относится к области оптического приборостроения, а точнее к фокусирующим устройствам, предназначенным, в частности, для фокусировки электромагнитного излучения в локальную область с субдифракционными размерами в форме фотонного крюка, и может быть использовано в терагерцовом диапазоне длин волн. Технической задачей полезной модели является разработка устройства субволновой фокусировки излучения в криволинейную область в форме «фотонного» крюка на основе решетки диэлектрических цилиндров. Поставленная задача достигается тем, что устройство для формирования «фотонного» крюка, состоящее из решетки плотноконтактных диэлектрических цилиндров, выполненных из материала с одинаковым показателем преломления, расположенных в воздушной среде и заполняющих цилиндрическую форму поверхности, которая освещается с ее боковой стороны электромагнитной волной с плоским волновым фронтом, новым является то, что диэлектрические цилиндры заполняют равнобедренную трапецеобразную форму поверхности, имеют различные диаметры, причем цилиндры одинакового диаметра располагаются параллельно большему основанию трапеции, при этом диэлектрические цилиндры с большим диаметром располагаются на большем основании. 2 ил. The utility model relates to the field of optical instrumentation, or more precisely to focusing devices intended, in particular, for focusing electromagnetic radiation into a local area with subdiffraction dimensions in the form of a photonic hook, and can be used in the terahertz wavelength range. The technical task of the utility model is to develop a device for subwave focusing of radiation into a curvilinear area in the form of a "photonic" hook based on a lattice of dielectric cylinders. The stated task is achieved by the fact that the device for forming a "photonic" hook, consisting of a grid of tight-contact dielectric cylinders made of a material with the same refractive index, located in an air medium and filling a cylindrical surface shape, which is illuminated from its side by an electromagnetic wave with a flat wave front, what is new is that the dielectric cylinders fill an isosceles trapezoidal surface shape, have different diameters, and cylinders of the same diameter are located parallel to the larger base of the trapezoid, while dielectric cylinders with a larger diameter are located on the larger base. 2 fig.

Полезная модель относится к области оптического приборостроения, а точнее к фокусирующим устройствам, предназначенным, в частности, для фокусировки электромагнитного излучения в локальную область с субдифракционными размерами в форме фотонного крюка, и может быть использовано в терагерцовом диапазоне длин волн.The utility model relates to the field of optical instrumentation, or more precisely to focusing devices intended, in particular, for focusing electromagnetic radiation into a local region with subdiffraction dimensions in the form of a photon hook, and can be used in the terahertz range of wavelengths.

Фотонные наноструи 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 [A. Heifetzetal. Photonicnanojets // J Comput Theor Nanosci. 2009 September 1; 6(9): 1979-1992].Photonic nanojets are a narrow focusing region formed at the shadow boundary of a dielectric particle with different surface shapes, with relatively small relative refractive indices (N≤2), with an extension greater than the radiation wavelength λ and a minimum width of the order of λ/3-λ/4 [A. Heifetzetal. Photonicnanojets // J Comput Theor Nanosci. 2009 September 1; 6(9): 1979-1992].

Фотонный крюк является разновидностью фотонной струи и впервые предложен авторами. Фотонный крюк это искривленная фотонная струя [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].The photon hook is a type of photon jet and was first proposed by the authors. The photon hook is a curved photon jet [Minin I. V., Minin O. V. Diffractive optics and nanophotonics: Resolution below the diffraction limit. - Springer, 2016 [Electronic resource. - Access mode: http://www.springer.com/us/book/9783319242514#aboutBook].

Устройства формирования «фотонного» крюка могут быть использованы в оптических ловушках и пинцетах при изучении структурных, биофизических, морфологических и оптических свойств частиц биологической ткани в условиях in vivo и их взаимодействия с окружающей средой для удерживания частиц в определенном месте биоткани или манипулирования ими [Ashkin and Dziedzic. Optical trapping and manipulation of viruses and bacteria // Science. 1987 Mar 20; 235(4795):1517-20], в качестве сверхточного лазерного скальпеля [O. V. Minin, I. V. Minin, N. Kharitoshin. Microcubes Aided Photonic Jet Scalpel Tips for Potential Use in Ultraprecise Laser Surgery // 2015 International Conference on Biomedical Engineering and Computational Technologies (SIBIRCON), 28-30 Oct. 2015, p.18-21].Devices for forming a “photonic” hook can be used in optical traps and tweezers for studying the structural, biophysical, morphological and optical properties of biological tissue particles in vivo and their interaction with the environment to hold particles in a specific place in the biological tissue or manipulate them [Ashkin and Dziedzic. Optical trapping and manipulation of viruses and bacteria // Science. 1987 Mar 20; 235(4795):1517-20], as an ultra-precise laser scalpel [O. V. Minin, I. V. Minin, N. Kharitoshin. Microcubes Aided Photonic Jet Scalpel Tips for Potential Use in Ultraprecise Laser Surgery // 2015 International Conference on Biomedical Engineering and Computational Technologies (SIBIRCON), 28-30 Oct. 2015, p.18-21].

Возможность субволновой фокусировки излучения в криволинейную область в форме «фотонного» крюка, создаваемого диэлектрическими устройствами с асимметричными структурами, рассмотрена в [Liyang Yue, O. V. Minin, Zengbo Wang, James N. Monks, A. S. Shalin, and I. V. Minin. Photonic hook: a new curved light beam // Optics Letters, Vol. 43, No. 4 / 15 February 2018, рр. 771-774], с асимметричными композициями материалов [G. Gu, L. Shao, J. Song, J. Qu, K. Zheng, X. Shen, Z. Peng, J. Hu, X. Chen, M. Chen, and Q. Wu, Photonic hooks from Janus microcylinders // Opt. Express 27, 37771 (2019)]. The possibility of subwavelength focusing of radiation into a curved region in the form of a “photonic” hook created by dielectric devices with asymmetric structures is considered in [Liyang Yue, O. V. Minin, Zengbo Wang, James N. Monks, A. S. Shalin, and I. V. Minin. Photonic hook: a new curved light beam // Optics Letters, Vol. 43, No. 4 / 15 February 2018, pp. 771-774], with asymmetric compositions of materials [G. Gu, L. Shao, J. Song, J. Qu, K. Zheng, X. Shen, Z. Peng, J. Hu, X. Chen, M. Chen, and Q. Wu, Photonic hooks from Janus microcylinders // Opt. Express 27, 37771 (2019)].

В [Zeng Peng, Guoqiang Gu, Liyang Shao, Xingliang Shen. Easily tunable long photonic hook generated from Janus liquids-filled hollow microcylinder // Arxiv: 2007.13093 (2020)] для получения легко перестраиваемого и длинного «фотонного» крючка разработано устройство с симметричной геометрией, но с асимметричным диэлектрической структурой. Устройство содержит полый микроцилиндр и две нерастворимые жидкости, которые могут образовывать границу раздела жидкость-жидкость. При вращении полого микроцилиндра угол между поверхностью раздела жидкость-жидкость и падающим светом будет изменен. Поэтому свойства «фотонного» крюка можно регулировать, включая кривизну и полную ширину при половинных максимумах (FWHM) «фотонного» крюка.In [Zeng Peng, Guoqiang Gu, Liyang Shao, Xingliang Shen. Easily tunable long photonic hook generated from Janus liquids-filled hollow microcylinder // Arxiv: 2007.13093 (2020)], a device with symmetric geometry but asymmetric dielectric structure was developed to obtain an easily tunable and long “photonic hook”. The device contains a hollow microcylinder and two insoluble liquids that can form a liquid-liquid interface. By rotating the hollow microcylinder, the angle between the liquid-liquid interface and the incident light will be changed. Therefore, the properties of the “photonic” hook can be adjusted, including the curvature and the full width at half maximum (FWHM) of the “photonic” hook.

Известно устройство формирования «фотонного» крюка в свободном пространстве, включающего асимметричное освещение симметричной дидектрической микрочастицы, например, в форме цилиндра или сферы [V. Minin, O. V. Minin, C.-Y. Liu, and H.-D. Wei, A. Karabchevsky. Simulation and experimental observation of tunable photonic nanojet and photonic hook upon asymmetric illumination of a mesoscale cylinder with mask // ArXiv: 2004.05911 (2020); C.-Y. Liu; H.-J. Chung, O.V. Minin, I.V. Minin. Shaping photonic hook via well-controlled illumination of finite-size graded-index micro-ellipsoid // Journal of optics 22, 085002 (2020)].A device for forming a “photonic” hook in free space is known, including asymmetric illumination of a symmetric didectric microparticle, for example, in the shape of a cylinder or a sphere [V. Minin, O. V. Minin, C.-Y. Liu, and H.-D. Wei, A. Karabchevsky. Simulation and experimental observation of tunable photonic nanojet and photonic hook upon asymmetric illumination of a mesoscale cylinder with mask // ArXiv: 2004.05911 (2020); C.-Y. Liu; H.-J. Chung, O.V. Minin, I.V. Minin. Shaping photonic hook via well-controlled illumination of finite-size graded-index micro-ellipsoid // Journal of optics 22, 085002 (2020)].

Известно устройство формирования «фотонного» крюка по патенту РФ 161207 содержащее фокусирующее устройство выполненное в виде диэлектрической частицы из материала, обеспечивающего оптический контраст, по отношению к окружающей среде равный 1,2-1,75 и имеющей форму кубоида, одно ребро которого совмещено с одной боковой гранью прямой треугольной призмы, выполненной из того же материала и с размером ребра совпадающего с величиной ребра кубоида, равного (0,9-1,3)Nλ, где N - целое число, λ - длина волны используемого излучения в среде, при этом излучение падает на гипотенузу призмы.A device for forming a "photonic" hook is known according to Russian patent 161207, containing a focusing device made in the form of a dielectric particle made of a material that provides optical contrast, in relation to the environment, equal to 1.2-1.75 and having the shape of a cuboid, one edge of which is combined with one side face of a right triangular prism made of the same material and with the size of the edge coinciding with the size of the edge of the cuboid, equal to (0.9-1.3)Nλ, where N is an integer, λ is the wavelength of the radiation used in the medium, while the radiation falls on the hypotenuse of the prism.

Известно устройство для формирования фотонного крюка по патенту РФ 195603, содержащее фокусирующее устройство выполненное в форме кубоида, состоящего из двух частей в форме правильных треугольных призм, сопряженных по диагонали и выполненных из материалов с различными показателями преломления, с оптическим контрастом по отношению к окружающей среде первой правильной треугольной призмы, на боковую поверхность которой падает излучение, равным примерно 1,4-1,75, и показателем преломления материала второй правильной треугольной призмы меньше показателя преломления материала первой правильной треугольной призмы в 0,8-1,2 раза.A device for forming a photonic hook is known according to Russian patent 195603, containing a focusing device made in the form of a cuboid consisting of two parts in the form of regular triangular prisms, conjugated diagonally and made of materials with different refractive indices, with an optical contrast in relation to the environment of the first regular triangular prism, on the side surface of which radiation falls, equal to approximately 1.4-1.75, and the refractive index of the material of the second regular triangular prism is less than the refractive index of the material of the first regular triangular prism by 0.8-1.2 times.

Для формирования фотонного крюка необходим определенный контраст показателя преломления материала формирующего устройства.To form a photonic hook, a certain contrast of the refractive index of the material of the forming device is required.

Недостатком известных устройств формирования «фотонного» крюка является необходимость поддержания оптического контраста диэлектрического материала формирующего устройства по отношению к окружающей среде.A disadvantage of known devices for forming a “photonic” hook is the need to maintain the optical contrast of the dielectric material of the forming device in relation to the environment.

В качестве прототипа выбрано устройство для формирования фотонной струи [Liyang Yue, Bing Yan, Zengbo Wang. Photonic nanojet of cylindrical metalens assembled by hexagonally arranged nanofibers for breaking the diffraction limit // Optics Letters , April 1 2016, Vol. 41, No. 7, pp. 1336-1339], состоящее из решетки гексагонально расположенных плотноконтактных диэлектрических цилиндров одинакового диаметра и имеющих одинаковый показатель преломления материала, расположенных в воздушной среде и заполняя цилиндрическую форму поверхности, которая освещается с ее боковой стороны электромагнитной волной с плоским волновым фронтом.A device for generating a photonic jet was chosen as a prototype [Liyang Yue, Bing Yan, Zengbo Wang. Photonic nanojet of cylindrical metalens assembled by hexagonally arranged nanofibers for breaking the diffraction limit // Optics Letters , April 1 2016, Vol. 41, No. 7, pp. 1336-1339], consisting of a lattice of hexagonally arranged close-contact dielectric cylinders of the same diameter and having the same refractive index of the material, located in an air medium and filling a cylindrical surface shape, which is illuminated from its lateral side by an electromagnetic wave with a plane wave front.

Недостаток устройства - невозможность формирования «фотонного» крюка.The disadvantage of the device is the impossibility of forming a “photonic” hook.

Технической задачей полезной модели является разработка устройства субволновой фокусировки излучения в криволинейную область в форме «фотонного» крюка на основе решетки диэлектрических цилиндров.The technical task of the utility model is to develop a device for subwave focusing of radiation into a curvilinear region in the form of a “photonic” hook based on a lattice of dielectric cylinders.

Поставленная задача достигается тем, что устройство для формирования «фотонного» крюка, состоящее из решетки плотноконтактных диэлектрических цилиндров, выполненных из материала с одинаковым показателем преломления, расположенных в воздушной среде и заполняющих цилиндрическую форму поверхности, которая освещается с ее боковой стороны электромагнитной волной с плоским волновым фронтом, новым является то, что диэлектрические цилиндры заполняют равнобедренную трапецеобразную форму поверхности, имеют различные диаметры, причем, цилиндры одинакового диаметра располагаются параллельно большему основанию трапеции, при этом диэлектрические цилиндры с большим диаметром располагаются на большем основании. The stated task is achieved by the fact that the device for forming a "photonic" hook, consisting of a grid of tight-contact dielectric cylinders made of a material with the same refractive index, located in an air environment and filling a cylindrical surface shape, which is illuminated from its side by an electromagnetic wave with a flat wave front, is new in that the dielectric cylinders fill an isosceles trapezoidal surface shape, have different diameters, and cylinders of the same diameter are located parallel to the larger base of the trapezoid, while dielectric cylinders with a larger diameter are located on the larger base.

На Фиг. 1 показана схема устройства формирования «фотонного» крюка.Fig. 1 shows a diagram of the device for forming a “photonic” hook.

На Фиг. 2 приведены результаты математического моделирования работы устройства для формирования «фотонного» крюка на основе диэлектрических цилиндров. Длина волны излучения λ = 532 нм. А - диаметр малых диэлектрических цилиндров d ₂ = 0,3λ (160 нм); Б - d ₂ = 0,6λ (320 нм); В - d ₂ = 0,9λ (480 нм). Во всех случаях диаметр больших цилиндров d ₁ = 1,35λ (720 нм). Показатель преломления материала цилиндров N ₁=N ₂= 1,4.Fig. 2 shows the results of mathematical modeling of the operation of the device for forming a "photonic" hook based on dielectric cylinders. The radiation wavelength is λ = 532 nm. A is the diameter of the small dielectric cylinders d ₂ = 0.3λ (160 nm); B is d ₂ = 0.6λ (320 nm); C is d ₂ = 0.9λ (480 nm). In all cases, the diameter of the large cylinders is d ₁ = 1.35λ (720 nm). The refractive index of the cylinder material is N ₁ = N ₂ = 1.4.

Обозначения: 1 - электромагнитная волна с плоским волновым фронтом; 2 - устройство для формирования фотонного крюка из диэлектрических цилиндров; 3 - диэлектрические цилиндры с меньшим диаметром расположенные у меньшего основания трапеции; 4 - диэлектрические цилиндры с большим диаметром расположенные на большем основании трапеции; 5 - область фокусировки излучения в форме фотонного крюка.Designations: 1 - electromagnetic wave with a plane wave front; 2 - device for forming a photonic hook from dielectric cylinders; 3 - dielectric cylinders with a smaller diameter located at the smaller base of the trapezoid; 4 - dielectric cylinders with a larger diameter located on the larger base of the trapezoid; 5 - radiation focusing region in the form of a photonic hook.

Устройство формирования «фотонного» крюка работает следующим образом. Электромагнитная волна с плоским волновым фронтом 1, сформированная источником когерентного излучения (лазер, диод Ганна, лампа обратной волны) облучает фокусирующее диэлектрическое устройство 2 по ее боковой стороне. Фокусирующее устройство 2 выполнено в форме равнобедренной трапеции, заполненной диэлектрическими цилиндрами с различными диаметрами. При этом цилиндры одинакового диаметра располагаются параллельно большему основанию трапеции и диэлектрические цилиндры с большим диаметром 4 располагаются на большем основании трапеции, а диэлектрические цилиндры с меньшим диаметром 5 располагаются ближе к меньшему основанию трапеции. Все диэлектрические цилиндры располагаются в воздухе в виде решетки гексагонально расположенных плотноконтактных элементов.The device for forming a "photonic" hook operates as follows. An electromagnetic wave with a flat wave front 1, formed by a source of coherent radiation (laser, Gunn diode, backward-wave tube) irradiates a focusing dielectric device 2 along its lateral side. The focusing device 2 is made in the form of an isosceles trapezoid filled with dielectric cylinders of different diameters. In this case, cylinders of the same diameter are located parallel to the larger base of the trapezoid and dielectric cylinders with a larger diameter 4 are located on the larger base of the trapezoid, and dielectric cylinders with a smaller diameter 5 are located closer to the smaller base of the trapezoid. All dielectric cylinders are located in the air in the form of a lattice of hexagonally located dense contact elements.

Под действием электромагнитного поля на поверхности диэлектрического цилиндра индуцируются заряды, которые создают поля внутри и вне цилиндра. Устройство формирования «фотонного» крюка 2 представляет собой среду многократного рассеивания с изменяющимся эффективным показателем преломления вдоль направления распространения. В таких средах оптические поля развиваются как за счет однородных, так и затухающих волн. Возбужденные затухающие волны в искусственных средах несут компоненты с более высокими пространственными частотами и необходимы для достижения более высокого пространственного разрешения.Under the action of the electromagnetic field, charges are induced on the surface of the dielectric cylinder, which create fields inside and outside the cylinder. The device for forming the "photonic" hook 2 is a multiple scattering medium with a changing effective refractive index along the direction of propagation. In such media, optical fields develop due to both homogeneous and decaying waves. Excited decaying waves in artificial media carry components with higher spatial frequencies and are necessary to achieve higher spatial resolution.

Установлено, что с уменьшением диаметров диэлектрических цилиндров d ₂ увеличивается интенсивность электромагнитного поля в области «фотонного» крюка и уменьшается ширина «фотонного» крюка.It has been established that with a decrease in the diameters of the dielectric cylinders d _2, the intensity of the electromagnetic field in the region of the “photonic” hook increases and the width of the “photonic” hook decreases.

С увеличением диаметра диэлектрических цилиндров d ₁ увеличивается протяженность и ширина «фотонного» крюка, а кривизна «фотонного» крюка уменьшается. With an increase in the diameter of the dielectric cylinders d _1, the length and width of the “photonic” hook increases, and the curvature of the “photonic” hook decreases.

Изменяя диаметр диэлектрических цилиндров и их распределение в теле трапеции, возможно регулировать фокусирующие свойства устройства в соответствии с нашими требованиями.By changing the diameter of the dielectric cylinders and their distribution in the trapezoid body, it is possible to regulate the focusing properties of the device in accordance with our requirements.