Ученые ТПУ предложили новый тип частиц-линз

Ученые Томского политехнического университета совместно с финскими коллегами из Университета Хельсинки предложили новый тип V-образных частиц Януса с возможностью изготовления линз с помощью аддитивных технологий. Такие линзы нужны для фокусировки звука в акустических микроскопах и других средствах неразрушающего контроля.

Благодаря своей форме такие частицы фокусируют звук лучше, чем линзы из диэлектриков или зеркал. Их использование позволит увеличить разрешение акустических микроскопов до уровня, превышающего дифракционный предел. Кроме того, они просты в изготовлении, и их можно напечатать на 3D-принтере, сообщает пресс-служба Томского политеха.

Сегодня большое распространение получили акустические линзы, состоящие из различных модификаторов поля — пластин, стержней или дисков. Управляя такими элементами можно влиять на фокусирующие характеристики линз. Раньше для этой цели применялись зеркала, диэлектрические линзы из натуральных или искусственных материалов, но их использование в акустике имеет ряд недостатков. В частности, ими трудно осуществлять субволновую фокусировку звука.

Ученые Инженерной школы неразрушающего контроля и безопасности ТПУ предложили новую структуру линзы-частицы с наклонными пластинами. Эта идея основана на предыдущих исследованиях политехников, посвященных акустическим струям и крючкам.

«Фотонная струя — это луч света, локализованный в очень маленькой локальной области. На ее эффекте построена работа современных микро- и наноскопов. Используя методы мезотроники ранее мы показали, что эффект фотонной струи из оптики может быть перенесен в область акустики. То есть для акустических волн частица-линза с размерами порядка одной или нескольких звуковых или ультразвуковых длин волн (на частоте 10 кГц длины волны около 34 мм в воздухе) может обеспечить субволновую (менее дифракционного предела) локализацию падающего звука», — рассказывает профессор отделения электронной инженерии ТПУ Олег Минин.

Частица-линза нового типа состоит из латунных пластин, уложенных параллельно друг другу. Ее главная особенность состоит в V-образной структуре пластин: она дает нужную симметрию области фокусировки или акустической струи. Внешнюю форму частиц — в данном случае куб с размером грани в три длины волны — ученые заимствовали из мезотроники (оптики).

«Поскольку V-структура не обладает симметрией относительно направления падения излучения, фокусирующие свойства такой частицы-линзы будут разными при падении излучения слева и справа. Это так называемая Янус-частица-линза. В зависимости от ориентации такой частицы фокус, он же акустическая струя, будет или длиннее, или короче, что определяется уже практическими потребностями», — поясняет Олег Минин.

В ходе исследования ученые смоделировали линзу и изучили ее характеристики при помощи экспериментальной установки финских коллег для генерации ультразвука и последующей шлирен-визуализации. Шлирен-визуализация — это один из классических методов построения изображения, широко применяемый в акустике, и эффективный способ обнаружения оптических неоднородностей в прозрачных преломляющих средах и выявления дефектов отражающих поверхностей.

Ученые доказали, что Янус-частица-линза нового типа способна проводить субволновую фокусировку звука. В дальнейшем научная группа планирует провести детальное исследование особенностей фокусировки такими линзами и оптимизацию ее параметров.

Результаты исследования опубликованы в сборнике конференции IEEE International Ultrasonics Symposium 2022 по этой ссылке. 

А у вас есть интересные новости? Поделитесь с нами своими разработками, и мы расскажем о них всему миру! Ждем ваши идеи по адресу news@3Dtoday.ru