устройство для преобразования электромагнитного поля в когерентную форму

Формула изобретения

Устройство для преобразования электромагнитного поля в когерентную форму, содержащее полупроводниковую подложку, на которой щелями сформирована самоаффинная топология на базе фрактализующегося модуля, состоящего из совокупности окружностей с радиусом R, в котором первая окружность является геометрическим местом расположения центров остальных окружностей совокупности с равными расстояниями между соседними окружностями, центр первой окружности совпадает с центром окружности с радиусом, равным 2R, и является центром всей самоаффинной топологии, а фрактализация модуля происходит по осям, проходящим через центр первой окружности и центры остальных окружностей совокупности, отличающееся тем, что самоаффинная структура заземлена.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к технической физике и может быть использовано преимущественно в областях, в которых необходимо обеспечить воздействие когерентного электромагнитного поля на различные физические, химические и биологические процессы.

Слово «когерентность» означает согласованность, связь. В применении к электромагнитному излучению это относится к согласованности, связи между электромагнитными колебаниями, волнами. Поскольку излучение распространяется во времени и в пространстве, можно оценивать согласованность колебаний, излучаемых источником в различные моменты времени, в одной и той же точке пространства (временная когерентность), а также согласованность колебаний, излучаемых в один и тот же момент времени в различных точках пространства (пространственная когерентность) (А.С.Митрофанов. Принципы усиления оптического излучения. Учебное пособие. СПб, СПбГУИТМО, 2005).

Известен источник квази-когерентного излучения, выполненный на основе нагретого черного тела (Greffet J-J et an, Coherent emission jf light by thermal sources. Letters to nature. Vol.416, p.61-64, 2002). Обычно тепловой светоизлучающий источник, такой как абсолютно черное тело или нить лампочки накаливания, рассматриваются в качестве примеров источников некогерентного излучения, в противовес лазеру. В то время как лазер является источником монохромного и направленного излучения, излучение нагретого черного тела имеет широкий спектр и обычно квази-изотропнопно.

Считается само собой разумеющимся, что свет, спонтанно испускаемый различными точками теплового источника, не может интерферировать. И наоборот, излучение от разных точек антенны интерферирует в определенных направлениях, создавая лепестки. Интенсивность излучения теплового источника является суммой интенсивностей, излучаемых различными точками, и поэтому излучение не может быть направленным. Но, тем не менее, рассматриваемая работа доказывает возможность получения планарного источника когерентного излучения. Для использования черного тела как источника когерентного излучения была вырезана пластина из поляризующегося материала, на которой выполнена периодическая структура в виде параллельных щелей. Параметры рассчитывались исходя из возможности получения излучения с длиной волны =11,36 мкм. Для выполнения этого условия длину нагретой пластины выбрали равной 5 мм, глубина щелей составляет /40, период щелей d составляет 0,55 . При этом получено квази-монохромное излучение в зоне, удаленной от поверхности подложки на расстояние от 10 до 100 нм. Излучение - узконаправленное и имеет форму, подобную диаграмме направленности антенны. Очевидно, что наличие в пространстве узкого участка когерентного излучения в инфракрасной области обеспечивает регулярная структура щелей, выполненных в материале, обладающем свойством поляризации. Но размеры участка существования монохромного излучения так малы, что все наблюдаемые физические эффекты можно увидеть только в микроскоп.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому является устройство для структурирования электромагнитного поля (Патент RU №2249862). Известное устройство содержит полупроводниковую подложку, на которой щелями сформирована самоаффинная (самоподобная) топология на базе фрактализующегося модуля, состоящего из совокупности окружностей с радиусом R, в котором первая окружность является геометрическим местом расположения центров остальных окружностей совокупности с равными расстояниями между соседними окружностями, центр первой окружности совпадает с центром окружности с радиусом, равным 2R, и является центром всей самоаффинной топологии, а фрактализация модуля происходит по осям, проходящим через центр первой окружности и центры остальных окружностей совокупности.

В известном устройстве самоаффинная структура, выполненная щелями, использовалась в качестве дифракционной решетки со сложной упорядоченной структурой, собранной из криволинейных замкнутых элементов, образованных замкнутыми щелями, по которым, как по системе волноводов, распространяются электромагнитные волны. В щелях возникает интерференция нескольких незатухающих электромагнитных волн, которая приводит к резонансному полному отражению энергии, которое влияет на интерференционную картину в ближней и дальней зоне.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание планарного устройства для преобразования электромагнитного излучения в когерентную форму.

Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемое устройство, как и известное, содержит полупроводниковую подложку, на которой щелями сформирована самоаффинная (самоподобная) топология на базе фрактализующегося модуля, состоящего из совокупности окружностей с радиусом R, в котором первая окружность является геометрическим местом расположения центров остальных окружностей совокупности с равными расстояниями между соседними окружностями, центр первой окружности совпадает с центром окружности с радиусом, равным 2R, и является центром всей самоаффинной топологии, а фрактализация модуля происходит по осям, проходящим через центр первой окружности и центры остальных окружностей совокупности. Но в отличие от известного самоаффинная структура заземлена.

Методом моделирования и экспериментально было установлено, что электромагнитное поле после взаимодействия с описанной выше самоаффинной структурой приобретает устойчивую форму, которая остается практически неизменной при изменении частоты падающего излучения. Причем протяженность ее достаточна для того, чтобы ее наблюдать невооруженным глазом.

Изобретение поясняется чертежами, где на:

фиг.1 представлен пример выполнения предлагаемого устройства;

фиг.2а и 3а представлено амплитудное распределение излучения при различных частотах после взаимодействия с самоаффинной структурой, а на фиг.2б и 3б - фазовое распределение излучения при различных частотах;

фиг.4 - срез излучения над подложкой при заземленной структуре в плоскости, перпендикулярной подложке;

Фиг.5 - пространственное амплитудное распределение излучения по поверхности структуры (различные проекции);

фиг.6 - фотография полученного излучения.

На фиг.1 представлен вариант выполнения предлагаемого устройства. При этом число окружностей с радиусом R равно 9, соответственно число осей фрактализации равно 8, радиус максимальной окружности самоаффинной структуры равен 8R. При этом структура выполнена на кремниевой подложке толщиной 1 мм, диаметр которой равен 6 мм, на поверхности которой щелями шириной 1 мкм и глубиной 1,2 мкм. Структура заземлена.

Современные технологии позволяют выполнить гораздо более сложные структуры, но даже при простом увеличении числа окружностей в базовом модуле на чертеже линии сливаются и теряется различимость.

Для моделирования процесса использовалась преобразованная формула Шредингера, которая описывает взаимодействие электромагнитной волны с поверхностью пластины.

где Е - функция, пропорциональная напряженности излучения, r - длина радиус-вектора,

- полярный угол, а и b - постоянные.

При моделировании изменялась частота излучения.

На фиг.2а и 2б представлены амплитудное и фазовое (соответственно) распределения поля по площади устройства при длине волны падающего излучения, равного половине длины максимальной окружности самоаффинной структуры, а на фиг.3а и 3б - амплитудное и фазовое распределение поля при длине волны, равной 1/64 длины максимальной окружности.

При анализе изображений видно, что равные амплитуды группируются в одних и тех же областях с чередующимися максимумами и минимумами. Это же справедливо и для фазового распределения с чередующимися максимумами и минимумами.

Сравнение этих изображений свидетельствует о том, что изменение структурированного поля практически не происходит при изменении частоты (длины волны).

При моделировании учитывалось, что поверхность отражает большую часть излучения, а щели поглощают большую часть излучения. Коэффициент отражения поверхности принимался за величину, которая меняется в пределах 1 0,6, а коэффициент поглощения щелей 1 >0,6. Чем глубже щель, тем больше коэффициент поглощения. При разных значениях этих коэффициентов были получены близкие результаты распределения напряженности Е в пространстве.

На фиг.4 показан срез излучения над подложкой при заземленном центре в плоскости, перпендикулярной подложке. На этой диаграмме подложка находится на оси ординат и занимает пространство от координаты 30 до координаты 90. Диаметр самоаффинной структуры равен 6 мм, глубина щелей составляет 1,6 мкм. Напряженность Е имела вид импульсов. Ось абсцисс - высота над поверхностью структуры. Зоны 1 соответствуют минимуму напряженности, а зона 2 соответствует максимуму напряженности. Протяженность когерентного участка поля достигает 20 мм,

Условием существования когерентной формы электромагнитного излучения является выполнение подложки из полупроводникового материала. Известно, что полупроводникам присуще явление поляризации, т.е. пространственного разделения зарядов под воздействием электрического поля. При попадании излучения на поверхность полупроводниковой подложки возникает явление смещения и вследствие того, что в области щелей подложка имеет меньшую толщину, концентрация носителей заряда в канавках будет существенно выше, чем в соседних областях. Для простоты можно считать, что все носители заряда сосредоточены в щелях. При достижении разности потенциалов в соседних щелях некоего критического значения возникает пробой по кратчайшему расстоянию между щелями, т.е. появляется ток определенной длины волны и, соответственно, электрическая составляющая напряженности, которая будет постоянна для каждого участка. Моделирование (фиг.5) показывает, что независимо от условий на границе поверхности, спустя некоторое время, устанавливается устойчивое и солитоноподобное распределение амплитуды по поверхности пластины.

Основные выводы, которые можно сделать по результатам моделирования: самоаффинная структура, выполненная с заземлением на полупроводниковой подложке преобразует электромагнитное излучение в когерентную форму. Результат разложения излучения не зависит от характеристик падающего излучения.

Нами проводится работа экспериментального подтверждения полученных при моделировании результатов. В частности, пластину с самоаффинной структурой облучали галогенной лампой. Материалом подложки, размер которой составлял 6 мм, выбран кремний, глубина щелей составляла 1,2 мкм, базовый модуль содержал 9 окружностей радиуса R и 9 окружностей радиуса , т.е. имел 8 осей фрактализации, а максимальная окружность имела радиус, равный . При этом зрительно можно было наблюдать чешуйчатую полусферу, над которой поднимался слабо видимый цилиндр, внутри которого был сформирован слабо видимый конус. Получить качественные фотографии невозможно из-за яркости излучения. Фотография, представленная на фиг.6, обработана для того, чтобы хоть что-то было видно, кроме яркого пятна, поэтому она мало информативна.