розглянуто квазіоптичного лінзова лінія передачі з оптичним контрастом, близьким до одиниці. Такі пристрої можуть бути використані при дослідженні впливу лазерного випромінювання на біологічні середовища, в СВЧ, терагерцевому, оптичному і рентгенівському діапазонах довжин хвиль, а також в акустиці. Використання складових заломлюючих лінз, що представляють собою набір однакових сферичних лінз, розташованих один за одним на одній оптичній осі і з показником заломлення, близьким до одиниці, дозволяє зменшити втрати на відображення в такий лінзі. Зменшення фокусної відстані в таких заломлюючих лінзах можливо за рахунок збільшення числа заломлюючих поверхонь.

Анотація наукової статті з нанотехнологій, автор наукової роботи - Мінін Олег Владиленович, Мінін Ігор Владиленович


LENS QUASI-OPTICAL TRANSMISSION LINE WITH OPTICAL CONTRAST CLOSE TO 1

The quasi-optical transmission line with optical contrast close to 1 is considered. Such devices can be used to study the effect of laser radiation on biological media, in microwave, terahertz, optical and X-ray wavelength ranges, as well as in acoustics. The use of composite refractive lenses, which are a set of identical spherical lenses arranged one after another on the same optical axis and with a refractive index close to one, reduces the loss of reflection in such a lens. Reducing the focal length in such refractive lenses is possible by increasing the number of refractive surfaces.


Область наук:
  • нанотехнології
  • Рік видавництва: 2019
    Журнал: Інтерекспо Гео-Сибір

    Наукова стаття на тему 'квазіоптичного лінзових ЛІНІЯ ПЕРЕДАЧІ З ОПТИЧНИМ контраст, близькою до одиниці'

    Текст наукової роботи на тему «квазіоптичного лінзових ЛІНІЯ ПЕРЕДАЧІ З ОПТИЧНИМ контраст, близькою до одиниці»

    ?УДК 535.421: 577.345: 615.831: 535.317: 621.386 DOI: 10.33764 / 2618-981Х-2019-8-93-99

    Квазіоптичного лінзових ЛІНІЯ ПЕРЕДАЧІ З ОПТИЧНИМ контраст, близькою до одиниці

    Олег Владиленович Мінін

    Сибірський державний університет геосистем і технологій, 630108, Росія, Новосибірськ, вул. Плахотний, 10, доктор технічних наук, старший науковий співробітник, професор кафедри спеціальних пристроїв, інноватики та метрології, тел. (913) 396-51-34, e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Ігор Владиленович Мінін

    Сибірський державний університет геосистем і технологій, 630108, Росія, Новосибірськ, вул. Плахотний, 10, доктор технічних наук, старший науковий співробітник, професор кафедри спеціальних пристроїв, інноватики та метрології, тел. (913) 396-51-34, e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Розглянуто квазіоптичного лінзова лінія передачі з оптичним контрастом, близьким до одиниці. Такі пристрої можуть бути використані при дослідженні впливу лазерного випромінювання на біологічні середовища, в СВЧ, терагерцевому, оптичному і рентгенівському діапазонах довжин хвиль, а також в акустиці. Використання складових заломлюючих лінз, що представляють собою набір однакових сферичних лінз, розташованих один за одним на одній оптичній осі і з показником заломлення, близьким до одиниці, дозволяє зменшити втрати на відображення в такий лінзі. Зменшення фокусної відстані в таких заломлюючих лінзах можливо за рахунок збільшення числа заломлюючих поверхонь.

    Ключові слова: квазіоптичного лінзова лінія передачі, сферична лінза, складова лінза, показник заломлення, близький до одиниці.

    LENS QUASI-OPTICAL TRANSMISSION LINE WITH OPTICAL CONTRAST CLOSE TO 1

    Oleg V. Minin

    Siberian State University of Geosystems and Technologies, 10, Plakhotnogo St., Novosibirsk, 630108, Russia, D. Sc., Senior Researcher, Professor, Department of Special-Purpose Devices, Innovatics and Metrology, phone: (913) 396-51- 34, e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Igor V. Minin

    Siberian State University of Geosystems and Technologies, 10, Plakhotnogo St., Novosibirsk, 630108, Russia, D. Sc., Senior Researcher, Professor, Department of Special-Purpose Devices, Innovatics and Metrology, phone: (913) 396-51- 34, e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    The quasi-optical transmission line with optical contrast close to 1 is considered. Such devices can be used to study the effect of laser radiation on biological media, in microwave, terahertz, optical and X-ray wavelength ranges, as well as in acoustics. The use of composite refractive lenses, which are a set of identical spherical lenses arranged one after another on the same optical axis and with a refractive index close to one, reduces the loss of reflection in such a lens. Reducing the focal length in such refractive lenses is possible by increasing the number of refractive surfaces.

    Key words: quasi-optical lens transmission line, spherical lens, composite lens, refractive index close to unity.

    У загальному випадку застосування лазерів в медичних дослідженнях базується на використанні широкого кола явищ, пов'язаних з різноманітними ефектами взаємодії світла з біологічними об'єктами [1]. Морфологічна різноманітність биотканей визначає різний характер проходження світла через них. Розміри клітин і структурних елементів клітин і сполучної биоткани лежать в діапазоні від декількох десятків нанометрів до сотень мікрометрів [1]. Нормальний еритроцит в плазмі має форму увігнуто-увігнутого диска діаметром від 7,1 до 9,2 мкм, товщиною 0,9-1,2 мкм в центрі і 1,7-2,4 мкм на периферії; лейкоцити за формою близькі до сфери і мають широкий розкид за діаметрами, 8-22 мкм; тромбоцити в потоці крові є довяковипуклие дископодібні частинки діаметром від 2 до 4 мкм [1].

    Зазвичай біологічні середовища часто моделюються ансамблем однорідних сферичних частинок, оскільки багато клітин і мікроорганізми, зокрема клітини крові, за формою близькі до сфер або еліпсоїда. Для багатьох біологічних тканин і крові відносний показник заломлення близький до одиниці і дорівнює приблизно 1,07 [1]. Особливістю таких середовищ з малим значенням відносного показника заломлення є дуже малі втрати потужності випромінювання на відображення на кордоні матеріал лінзи - навколишнє середовище.

    Лазерне випромінювання в ІЧ області добре проникає через шкірний покрив на глибину до 50-70 мм і може досягти кров, що протікає в вені, артерії або мікроциркуляторному руслі і проводити неінвазивний (без проколу шкіри) опромінення крові.

    Відомо, що показник заломлення для електромагнітного випромінювання з енергією Е в інтервалі приблизно 10-50 кев дуже слабо відрізняється від одиниці. Якщо записати комплексний коефіцієнт заломлення у вигляді т = 1 - 5 + ф,

    7 9

    то, наприклад, для алюмінію і Е = 25 кев маємо 5 = 8,643 10, в = 1,747 10. Останнім часом стало розвиватися новий напрям: рентгенівська переломлюються оптика [2-5].

    У мікрохвильовому і субміліметровому діапазонах довжин хвиль існують матеріали з показником заломлення, близьким до одиниці: піноматеріали, метаматеріали, композитні матеріали, наприклад, пінополістирольний пінопласт ПС-1 при щільності матеріалу 0,1 г / см має показник заломлення 1,05 [6], композити на основі фторопласта 4 перекривають діапазон значень п від 1,05 до 1,40 на довжині хвилі 1-2 мм [7], синтаксичної піни [8] з показником заломлення 1,07 і т. д.

    В оптичному і терагерцевому діапазонах довжин хвиль показник заломлення N метаматеріалів може бути більше одиниці, близько одиниці або менше одиниці [9-14]. Наприклад, для оптичного діапазону довжин хвиль створений матеріал з показником заломлення рівним 1,025 [15]. Виготовлення таких лінз можливо на 3Б нанопрінтерах [16].

    Особливості конструювання акустичних лінз і ліній передачі складаються в обліку акустичного імпедансу (твір щільності матеріалу р на

    швидкість звуку з в ньому) середовища і матеріалу лінзи. Ці величини повинні бути близькі один одному. Інакше зростають втрати енергії від кордону розділу матеріал - середовище:

    РА = Р2С2. (1)

    Для лінз з малим контрастом показника заломлення швидкості звуку в матеріалі лінзи і навколишньому середовищу повинні бути близькі, але відрізнятися один від одного:

    Су ~ С2. (2)

    У найпростішому випадку падіння звукової хвилі на межу розділу двох середовищ завдання було вирішено ще Релеєм, яка дала як загальну формулу, так і її вираження для окремих випадків. При перпендикулярному падінні на межу розділу ставлення відбитої енергії до падаючої визначається, згідно Ре-лею, виразом [17]:

    Я

    2

    Р1С1 - Р2С2 Р1С1 + Р2С2

    (3)

    де р і С представляють щільності і швидкості звуку в відповідних середовищах. Таким чином, відбивна здатність Я залежить тільки від різниці акустичних щільності обох середовищ.

    Як матеріал акустичної лінзи можна використовувати, наприклад, для лінзи розташованої в повітрі - чадний газ. Швидкість звуку в повітрі 331 м / с і в чадному газі 338 м / с. Відносна швидкість дорівнює 1,02, при цьому відносний імпеданс дорівнює всього 1,014. Таким чином, втрати на відбиття випромінювання від кордону розділу двох середовищ практично відсутні.

    З технічної літератури відомо, що чим більше температура повітря, тим з більшою швидкістю в ньому поширюється звук. При збільшенні температури на 1 ° С швидкість звуку збільшується приблизно на 0,5 м / с. Якщо при 0 ° С швидкість звуку становить 331,5 м / с, то при звичайній кімнатній температурі (18 ° С) ця швидкість дорівнює 342 м / с. Швидкість звуку в повітрі в залежності від температури може бути визначена з виразу:

    С = 20 Т0,5 [м / с]. (4)

    Наприклад, повітряна лінза при температурі газу 10 ° С має швидкість звуку 337,3 м / с, а при температурі навколишнього повітря 0 ° С - 331,5 м / с, (відносна швидкість звуку 1,018), при цьому щільність повітря при 0 ° З дорівнює 1.293 кг / м3, а при 10 ° С - 1,247 кг / м3. Таким чином, відносний імпеданс дорівнює 1,017.

    Як матеріал для акустичних лінз можуть використовуватися різні композитні матеріали.

    Як фокусирующих рівень радіаційного випромінювання можуть використовуватися ме-зоразмерние частки з різною формою поверхні і формують фотонну струмінь, як в електромагнітному діапазоні довжин хвиль [18-23], так і в акустиці [24-28]. Однак в таких пристроях використовуються матеріали з оптичним контрастом, що знаходиться в межах 1,3-2.

    На малюнку наведено результат моделювання поширення випромінювання в квазиоптической линзовой лінії передачі з оптичним контрастом, близьким до одиниці. Лінія передач складається з шести співвісно розташованих в безпосередній близькості один від одного сферичних мезоразмерних лінз з контрастом показника заломлення, що дорівнюють відповідно 1,05; 1,3; 1,5; 1,7; 2. Діаметр лінз дорівнює 4Х, де X довжина хвилі випромінювання.

    Результат моделювання поширення випромінювання в квазиоптической линзовой лінії передачі з оптичним контрастом, близьким до одиниці

    Така лінія передач, що складається з співвісно розташованих в безпосередній близькості один від одного сферичних мезоразмерних лінз, кількістю не менше 2 може розглядатися як неоднорідна середу. Коефіцієнт заломлення такого середовища п (х) зменшується від осі (х - відстань до осі). Встановлено, що найбільший (на осі) показник заломлення N (0) матеріалу сферичної лінзи має дорівнювати приблизно 1,01-1,05. Найменшими втратами володіє лінза з мінімальним показником заломлення, при цьому про-

    сторовий дозвіл складає близько довжини хвилі використовуваного випромінювання. Зі збільшенням показника заломлення зростають втрати і дещо збільшується просторову роздільну здатність лінзи.

    У сферичної (кулеподібної) лінзі радіуса Я, показника заломлення N і з фокусною відстанню від центру лінзи рівним F [29, 30].

    Фокусна відстань залежить від N, Я і наближено описується за виразом:

    F = (5)

    2 (N - 1)

    при N > 2 область фокусування знаходиться всередині лінзи, а при 1 < N < 2 поза лінзи. Фокусна відстань / для складовою лінзи з показником заломлення, близьким до одиниці визначається як

    F

    Г = -, (4)

    п

    де F - фокусна відстань для однієї лінзи; n - кількість сферичних лінз.

    Основою наближення тонких лінз є те, що промінь, що проходить через лінзу, змінює напрямок, але не положення. Однак, якщо товщина t (якщо Р-відстань між лінзами, загальна товщина t = np) лінзи стає порівнянним сf тоді становище променя змінюється.

    Використання складових заломлюючих лінз, що представляють собою набір однакових сферичних лінз, розташованих один за одним на одній оптичній осі і з показником заломлення, близьким до одиниці, дозволяє зменшити втрати на відображення в такий лінзі. Зменшення фокусної відстані в таких заломлюючих лінзах можливо за рахунок збільшення числа заломлюючих поверхонь. Однак подібний підхід має одне суттєве обмеження: при збільшенні числа заломлюючих поверхонь зростає довжина (товщина) лінзи, яка не повинна бути більше її фокусної відстані.

    Таким чином, складова лінза з показником заломлення, близьким до одиниці може складатися з однакових лінз або лінз зменшуються в діаметрі у напрямку поширення випромінювання і застосовуватися як лінія передачі випромінювання. Особливістю такої лінії передач є мінімальні втрати випромінювання на відображення.

    БІБЛІОГРАФІЧНИЙ СПИСОК

    1. Тучин В. В. Лазери і волоконна оптика в біомедичних дослідженнях. - М.: Фізматліт, 2010. - 480 с.

    2. Патент США. US 1997-01-14 No5594773; Tomie T., X-ray lens.

    3. Simons, Hugh, Ahl, Sonja Rosenlund, Poulsen Henning Friis, Detlefs Carsten. Simulating and optimizing compound refractive lens-based X-ray microscopes // Journal of Synchrotron Radiation 2017, 24 (2), 392-401. DOI: 10.1107 / S160057751602049X.

    4. B. Lengeler, J. Tummler, A. Snigirev, I. Snigireva, and C. Raven Transmission and gain of singly and doubly focusing refractive x-ray lenses // Journal of Applied Physics 84, 5855 (1998); doi: 10.1063 / 1.368899.

    5. Toshihisa Tomie. The birth of the X-ray refractive lens // Spectrochimica Acta Part B 65 (2010) 192-198.

    6. Пінопласти / під ред. А. А. Моісеєва. - М.: Оборонгиз, 1960. - 184 с.

    7. Вимірювання на міліметрових і субміліметрових хвилях / під ред. Р. А. Валітова і Б. І. Макаренко - М.: Сов. радіо, 1984. - 296 с.

    8. Egidio Rizzi, Enrico Papa, Alberto Corigliano. Mechanical behavior of a syntactic foam: experiments and modeling // International Journal of Solids and Structures 37 (2000) 5773-5794.

    9. Сухов С. В. Гетерогенна середу з одиничним показником заломлення // Известия Самарського наукового центру. - 2004. -Т. 6. - С. 149-154.

    10. Сухов С. В. нанокомпозитний матеріал з одиничним показником заломлення // Квантова електроніка. - 2005. - Т. 35, No 8. - С. 741-744.

    11. W. Cai, U. Chettiar, A. Kildishev, V. Shalaev. Optical cloaking with metamaterials // Nature Photonics. - 2007. - Vol. 7. - P. 224-227.

    12. Moiseev S. G. Active maxwell-garnett composite with the unit refractive index // Physica B: Physics of Condensed Matter. - 2010. - Vol. 405. - P. 3042-3045.

    13. Моісеєв С. Г. Оптичні властивості композитної середовища Максвелла-Гарнета з срібними включеннями несферіческой форми // Изв. вузів. Фізика. - 2009. - Т. 52, No 11. - С. 7-12.

    14. Sergey G. Moiseev Active Maxwell-Garnett composite with the unit refractive index // Physica B 405 (2010) 3042-3045.

    15. Xu A. Zhang, Abhijeet Bagal, Erinn C. Dandley, Junjie Zhao, Christopher J. Oldham, Bae-Ian Wu, Gregory N. Parsons, and Chih-Hao Chang. Ordered 3D Thin-Shell Nanolattice Materials with Near-Unity Refractive Indices // Adv. Funct. Mater. 2015-го, 25, 6644-6649.

    16. Mona Mirzaeimoghri, Alejandro Morales Martinez, Alireza Panna, Eric E. Bennett, Bertrand M. Lucotte, Don L. DeVoe, Han Wen Nano-printed miniature compound refractive lens for desktop hard x-ray microscopy (2018) // PLoS ONE 13 (8): e0203319.

    17. Є. Гідеман, Кельн Ультразвук // Успіхи фізичних наук, Т. XVI, вип. 5, 1936, с. 586-656.

    18. Minin I. V., Minin O. V. Diffractive optics and nanophotonics: Resolution below the diffraction limit, Springer, 2016, Р. 75.

    19. Minin I. V., Minin O. V. 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.

    20. Boris S. Lukiyanchuk, Ramon Paniagua-Dominguez, Igor V. Minin, Oleg V. Minin and Wang Zengbo. Refractive index less than two: photonic nanojets yesterday, today and tomorrow // Optical material express, 7 (6), 1820-1847 (2017)

    21. Мінін О. В., Мінін І. В. Акустичний аналог феномена фотонної струменя // Вісник СГУГіТ. - 2016. - Вип. 1 (33). - С. 139-147.

    22. Мінін О. В., Мінін І. В., Харітошін Н. А. Формування фотонних тераструй від діелектричних частинок, що не володіють осьової просторової симетрією форми // Вісник СМДА. - 2014. - Вип. 4 (28). - С. 102-111.

    23. Мінін О. В., Мінін І. В., Харітошін Н. А. Формування дзеркальних фотонних тераструй // Вісник СМДА. - 2014. - Вип. 4 (28). - С. 87-94.

    24. Патент РФ 164738. Пристрій для фокусування випромінювання метакубоідной плоскою лінзою / Мінін І. В., Мінін О. В., 2016, 5 з.

    25. Патент РФ 167049. Акустична лінза для формування області фокусування безпосередньо за тіньової поверхнею / Мінін І. В., Мінін О. В., 2016, 6 з.

    26. Патент РФ 170911. Акустична лінза / Мінін І. В., Мінін О. В. 2017, 5 з.

    27. Патент РФ 175684. Акустичний датчик / Мінін І. В., Мінін О. В. 2017, 5 з.

    28. Патент РФ 172340. Сканирующий акустичний мікроскоп / Мінін І. В., Мінін О. В. 2017, 5 з.

    29. Зелкін Е. Г., Петрова Р. А. Лінзові антени. - М.: Сов. радіо, 1974. - 280 с.

    30. Bernhard Schoenlinner, Xidong Wu, Jim P. Ebling, George V. Eleftheriades, and Gabriel M. Rebeiz, Wide-Scan Spherical-Lens Antennas for Automotive Radars // IEEE Transactions on microwave theory and techniques, V.50, № 9 , September 2002 рр. 2166-2175.

    © О. В. Мінін, І. В. Мінін, 2019


    Ключові слова: Квазіоптичного лінзових ЛІНІЯ ПЕРЕДАЧІ / сферичні ЛІНЗА / СКЛАДОВА ЛІНЗА / ПОКАЗНИК ЗАЛОМЛЕННЯ / Близькою до одиниці / QUASI-OPTICAL LENS TRANSMISSION LINE / SPHERICAL LENS / COMPOSITE LENS / REFRACTIVE INDEX CLOSE TO UNITY

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити