Суперлинза для передачи распределений электромагнитного поля

Суперлинза из метаматериала для передачи распределений электромагнитного поля со сверхразрешением от удаленных источников может быть использована для передачи изображений с пространственным разрешением не хуже чем восьмая часть длины волны, т.е. не ограниченным дифракционным пределом, а также для передачи пространственных распределений электромагнитного поля. Заявляемая суперлинза решает задачу передачи со сверхразрешением распределений электромагнитного поля объектов, удаленных от передней поверхности суперлинзы на расстояния в несколько раз (5-6 раз) превышающие период структуры. Суперлинза для передачи распределений электромагнитного поля, выполненная из метаматериала, представляющего собой упорядоченную структуру из М размещенных в диэлектрике, тангенс угла потерь которого на рабочей частоте не более 0.01, и расположенных на одинаковом расстоянии, равном периоду структуры а, параллельных друг другу и не соприкасающихся металлических проводов цилиндрической формы, причем поперечное сечение структуры проводов образует квадратную решетку, толщина скин-слоя металла проводов меньше радиуса провода, а диаметр упомянутых проводов меньше полупериода структуры, отличающуюся тем,что длина провода l определяется из соотношения , где N - целое нечетное число, - длина волны на рабочей частоте суперлинзы для передачи распределений электромагнитного поля и одна грань, перпендикулярная к проводам метаматериала, выполнена в виде металлического экрана, имеющего электрический контакт с проводами, при этом толщина экрана больше толщины скин-слоя металла. Суперлинза для передачи распределений электромагнитного поля позволяет получать изображение со сверхразрешением объекта, удаленного на расстояние от поверхности суперлинзы большее, чем несколько (5-6) периодов структуры.

Полезная модель - суперлинза из метаматериала для передачи распределений электромагнитного поля со сверхразрешением от удаленных источников. Она может быть использована для передачи изображений с пространственным разрешением много меньше длины волны, т.е. не ограниченным дифракционным пределом, а также для передачи пространственных распределений электромагнитного поля.

На основе суперлинз из метаматериалов может быть создан наноскоп, аналог микроскопа, позволяющий различать детали объектов, находящиеся на расстояниях несколько десятков нанометров друг от друга (Kher S.С., Liu Y.M., Martin L.W., Yu P., Gajek M., Yang S.-Y., Yang C.-H., Wenzel M.Т., Jacob R., von Ribbeck H.-G., et al. Near-field examination of perovskite-based superlenses and superlens-enhanced probeobject coupling //Nature Communications. - 2011.- V.2. - P.249; Liu Y. and Zhang X. Metamaterials: a new frontier of science and technolog //Chemical Society Reviews. - 2011. V.40. - p.2494). Суперлинзы из метаматериалов, работающие в диапазоне радиочастот могут быть использованы для улучшения чувствительности и разрешающей способности магнитно-резонансных томографов (МРТ) (Radu X., Lapeyronnie A., and Craeye С.Numerical and Experimental Analysis of a Wire Medium Collimator for MRI //Electromagnetic, Special issue on Metamaterials. - 2008. - V.28. - P.531-534; Freire M. J., Marques R., and Jelinek L. Experimental demonstration of a µ=-l metamaterial lens for magnetic resonance imaging //Applied Physics Letters. - 2008. - V.90. - p.231108).

В будущем на основе наноструктурированных метаматериалов возможно создание оптических процессоров и элементов памяти, включая такие компоненты как оптические наночипы (наносхемы). На базе метаматериалов возможно создание покрытий, позволяющих делать объекты невидимыми (Pendry J., Schurig D., and Smith D.R. Controlling Electromagnetic Fields //Science. - 2006. - V.312. - P.1780-1782), что может иметь значение для военных приложений.

Известна суперлинза для передачи распределений электромагнитного поля, состоящая из металлических проводов, помещенных в диэлектрик (патент РФ 116247, МПК G02B 3/08. опубл. 20.05.2012.). Данная суперлинза предназначена для передачи изображений с пространственным разрешением много меньше длины волны, т.е. неограниченным дифракционным пределом, а также для передачи пространственных распределений электромагнитного поля. Однако, передача изображения с использованием упомянутой суперлинзы со сверхразрешением, возможна только от объектов, удаленных от передней поверхности суперлинзы на расстояние порядка периода структуры

Наиболее близкой по технической сущности, выбранная в качестве прототипа, является суперлинза для передачи распределений электромагнитного поля (Belov P.A., Simovski C.R., and Ikonen P. Canalization of subwavelength images by electromagnetic crystals // Physical Review В. - 2005. - V.71. - P.193105). Известная суперлинза для передачи распределений электромагнитного поля выполнена из метаматериала, представляющего собой упорядоченную структуру М размещенных в диэлектрике и расположенных на одинаковом расстоянии, равном периоду структуры, параллельных друг другу и не соприкасающихся металлических проводов цилиндрической формы, причем поперечное сечение структуры проводов образует квадратную решетку, а диаметр проводов меньше полупериода структуры.

Заявляемая суперлинза решает задачу передачи со сверхразрешением распределений электромагнитного поля объектов, удаленных от передней поверхности суперлинзы на расстояние в несколько раз больше периода структуры. Что приведет к созданию суперлинз с повышенной чувствительностью для передачи со сверхразрешением распределений электромагнитного поля объектов, которые могут применяться в устройствах обработки и передачи изображений.

Поставленная задача решается следующим образом.

В суперлинзе для передачи распределений электромагнитного поля, выполненной из метаматериала, представляющего собой упорядоченную структуру из М размещенных в диэлектрике, тангенс угла потерь которого на рабочей частоте не более 0.01, и расположенных на одинаковом расстоянии, равном периоду структуры а, параллельных друг другу и не соприкасающихся металлических проводов цилиндрической формы, причем поперечное сечение структуры проводов образует квадратную решетку, толщина скин-слоя металла проводов меньше радиуса провода, а диаметр упомянутых проводов меньше полупериода структуры, одна грань, перпендикулярная к проводам метаматериала, выполнена в виде металлического экрана, имеющего электрический контакт с проводами метаматериала, при этом толщина экрана больше толщины скин-слоя , металла, а длину провода l определяют из соотношения , где N - целое нечетное число, - длина волны на рабочей частоте суперлинзы для передачи распределений электромагнитного поля.

Сущность предлагаемой полезной модели поясняется следующим. При расположении источника на значительном расстоянии от поверхности слоя метаматериала (больше нескольких периодов структуры), информация о субволновых деталях изображения теряется из-за распространения затухающих гармоник в разделяющем объект и линзу пространстве. Поэтому нужно использовать метод увеличения амплитуды затухающих пространственных гармоник, который и лежит в основе работы данной линзы. Для этого суперлинза должна быть настроена на резонанс, когда ее оптическая толщина равна целому числу четвертей длин волн. Основным механизмом функционирования таких суперлинз является резонансное возбуждение стоячих волн, а не поверхностных, как в случае режима каналирования изображения. Тем самым исключается потеря информации, заключенной в эванесцентных волнах, из-за затухания в свободном пространстве и происходит ее усиление. В результате изображение со сверхразрешением формируется в плоскости металлического экрана метаматериала, при этом достигается разрешение изображения не хуже, чем 1/8 длины волны.

Предлагаемая полезная модель является суперлинзой на основе среды из металлических параллельных друг другу проводов, помещенных в диэлектрик, при этом одна грань, перпендикулярная к проводам метаматериала, выполнена в виде металлического экрана, имеющего электрический контакт с проводами. В суперлинзе - прототипе магнитное поле и ток в проводах для распространяющихся ТЕМ волн в центральном сечении максимальны, в то время как электрическое поле в центральном сечении равно нулю. Информация об изображении заключена в токах, текущих по проводам. Таким образом, в центральном сечении, где электрическое поле равно нулю, можно поместить металлический экран, перпендикулярно проводам, обеспечив электрический контакт проводов и экрана, и, сохранив принцип работы суперлинзы, получить изображение со сверхразрешением в плоскости металличекого экрана. Металлические провода с другой стороны экрана уже не представляют ценности и могут быть обрезаны, тем самым толщина суперлинзы может быть уменьшена в 2 раза.

В результате экспериментального исследования выявлено, что заявляемый эффект, а именно, передача изображения со сверхразрешением становится возможным даже в том случае, когда предмет удален от поверхности суперлинзы на расстояние в несколько раз большее, чем период структуры а, что достигается при заявляемой совокупности признаков, а именно при наличии металлического экрана в плоскости перпендикулярной к проводам метаматериала, при условии обеспечения электрического контакта проводов и металлического экрана, и длине провода l определяемой из соотношения , где N - целое нечетное число, - длина волны на рабочей частоте суперлинзы для передачи распределений электромагнитного поля. Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 - структура суперлинзы, на фиг.2 - зависимости коэффициентов передачи предлагаемой суперлинзы (Т) и суперлинзы - прототипа (Т_1/2) на частотах ниже и выше частоты Фабри-Перо резонанса.

Суперлинза для передачи распределений электромагнитного поля из метаматериала, представляет собой упорядоченную структуру М металлических проводов 1, l - длина провода, а - период структуры, 2r -диаметр провода, D - толщина металлического экрана.

Выбор М зависит от размера предмета, распределение электромагнитного поля которого необходимо передать.

На фиг.2 представлены зависимости коэффициента передачи предлагаемой суперлинзы (Т) в сравнении с коэффициентом передачи в центр слоя линзы-прототипа (Т1_/2) от нормированной компоненты волнового вектора (k_y) вдоль оси Y (тангенциальная компонента) для различных значений частот. На частоте 5 ТГц (фиг.2 а), которая соответствует частоте Фабри-Перо резонанса, передаточные характеристики предлагаемой суперлинзы и линзы-прототипа линейно возрастают при увеличении нормированной компоненты волнового вектора (k_y), при этом значения коэффициента передачи заявляемой суперлинзы больше, чем у линзы-прототипа, что и подтверждает наличие эффекта усиления амплитуды затухающих пространственных гармоник. При увеличении частоты 5.1 ТГц, 5.25 ТГц (фиг.2 б, 2 в) наблюдается уменьшение расчетных значений коэффициента передачи для суперлинз, а также ослабляется эффект усиления амплитуды затухающих пространственных гармоник. При уменьшении частоты 4.995 ТГц, 4.85 ТГц, 4.7 ТГц (фиг.2 г, 2 д, 2 е) эффект усиления затухающих пространственных гармоник проявляется сильнее для заявляемой суперлинзы, чем для суперлинзы-прототипа. Расхождение в значениях коэффициента пропускания для этих двух случаев составляет несколько порядков на некоторых пространственных частотах.

Работа линзы заключается в том, что все гармоники, включая затухающие пространственные гармоники становятся распространяющимися, а за счет резонансного возбуждения стоячих волн в суперлинзе происходит усиление их амплитуды, что позволяет сформировать в плоскости изображения распределение электромагнитного поля предмета с улучшенным разрешением (не хуже величины 1/8 длины волны).

В качестве примера конкретного выполнения предлагается суперлинза со следующими параметрами.

Суперлинза из метаматериала, представляющего собой упорядоченную структуру из М=441 медных провода, размещенных в диэлектрике, в качестве которого использовали воздух, и расположенных на одинаковом расстоянии, равном периоду структуры а=2 мкм, параллельных друг другу и не соприкасающихся проводов цилиндрической формы, причем поперечное сечение структуры проводов образует квадратную решетку, радиус провода r=200 нм, толщина скин-слоя 30 нм, толщина металлизирована экрана D=150 нм. Для рабочей частоты 5 ТГц из соотношения была найдена длина провода l=15 мкм, при N=1. Размер объекта, электромагнитное поле которого можно получить с помощью такой суперлинзы, составляет 40 мкм × 40 мкм.

Заявляемая совокупность признаков позволяет создать суперлинзу для передачи со сверхразрешением распределений электромагнитного поля объектов, удаленных от передней поверхности суперлинзы на расстояние в 5-6 раз большее периода структуры.

Суперлинза для передачи распределений электромагнитного поля со сверхразрешением от удаленных источников может быть использована для передачи изображений с пространственным разрешением много меньше длины волны, т.е. не ограниченным дифракционным пределом, а также для передачи пространственных распределений электромагнитного поля. Заявляемая суперлинза будет широко востребована в устройствах передачи и обработки изображений с улучшенным разрешением.

Суперлинза для передачи распределений электромагнитного поля, выполненная из метаматериала, представляющего собой упорядоченную структуру из M размещенных в диэлектрике, тангенс угла потерь которого на рабочей частоте не более 0,01, и расположенных на одинаковом расстоянии, равном периоду структуры а, параллельных друг другу и несоприкасающихся металлических проводов цилиндрической формы, причем поперечное сечение структуры проводов образует квадратную решетку, толщина скин-слоя металла проводов меньше радиуса провода, а диаметр упомянутых проводов меньше полупериода структуры, отличающаяся тем, что длина провода l определяется из соотношения , где N - целое нечетное число, - длина волны на рабочей частоте суперлинзы для передачи распределений электромагнитного поля, и одна грань, перпендикулярная к проводам метаматериала, выполнена в виде металлического экрана, имеющего электрический контакт с проводами, при этом толщина экрана больше толщины скин-слоя металла.