vestnik Журнал "Вестник Сибирского государственного университета геосистем и технологий (СГУГиТ)" 2411-1759 ФГБОУ ВО "Сибирский государственный университет геосистем и технологий (СГУГиТ)" RU https://vestnik.sgugit.ru 10.33764/2411-1759-2021-26-6-155-163 Оптико-электронные приборы и комплексы Фокусировка терагерцового излучения мезоразмерной кубоидной линзой из искусственного диэлектрика И. В. Минин Минин И. В. О. В. Минин Минин О. В. Сибирский государственный университет геосистем и технологий, г. Новосибирск, Россия 2021 26 6 155 163 © И. В. Минин, О. В. Минин, 2021 2021 И. В. Минин, О. В. Минин Эта статья дотупна по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная. Целью работы является исследование новой мезоразмерной кубоидной линзы из искусственного диэлектрика для терагерцового диапазона длин волн. В качестве метода исследования выбрано математическое моделирование процесса. Установлено, что линза из анизотропного вдоль оптической оси искусственного диэлектрика с характерным размером 3λ способна фокусировать терагерцовое излучение на расчетной частоте 0,15 ТГц в фокусное пятно с поперечным размером, равным дифракционному пределу. При этом область фокусировки располагается вдоль оптической оси линзы. Способность фокусировать излучение сохраняется в широком диапазоне эффективного показателя преломления, по крайней мере, от 1,4 до 1,7, при этом величина фокусного расстояния меняется незначительно. фотонная струя мезоразмерная частица янус-частица искусственный диэлектрик линза дифракционный предел a photon jet mesoscale the particle Janus particle artificial dielectric lens diffraction limit 1. Lee Y.-S. Principles of Terahertz Science and Technology. – Berlin : Springer, 2009. – P. 159–170. 2. Handbook of terahertz technology for imaging, sensing and communications / Edited by Daryoosh Saeedkia. – Cambridge : Woodhead Publishing, 2013. – 688 p. 3. Siegel P. H. Terahertz techonolgy // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. – 2002. – Vol. 50, No 3. – P. 910–928. 4. De Maagt P., Bolivar P. H., Mann C. Terahertz science, engineering and systems – from space to earth applications // Wiley Encyclopedia of RF and Microwave Engineering / ed. by K. Chang. – N. Y. : WileyInterscience, 2005. – P. 5176–5194. 5. Wade C. G., Šibalić N., de Melo N. R., Kondo J. M., Adams C. S., Weatherill K. J. Real-time near-field terahertz imaging with atomic optical fluorescence // Nat. Photonics. – 2017. – Vol. 11. – P. 40–43. 6. Reid C. B., Reese G., Gibson A. P., Wallace V. P. Terahertz time-domain spectroscopy of human blood // Transactions of Terahertz Science and Technology. – 2013. – Vol. 3, No 4. – P. 363–367. 7. Saviz M., Spathmann O., Streckert J., Hansen V., Clemens M., Faraji-Dana R. Theoretical estimation of safety thresholds for terahertz exposure of surface tissues // Transactions of Terahertz Science and Technology. – 2013. – Vol. 3, No 5. – P. 635–640. 8. Taylor Z. D., Singh R. S., Bennett D. B., Tewari P., Kealey C. P., Bajwa N., Culjat M. O., Stojadinovic A., Lee H., Hubschman J. P., Brown E. R. Grundfest WS. THz medical imaging: in vivo hydration sensing // IEEE Transactions of Terahertz Science and Technology. – 2011. – Vol. 1, No 1. – P. 201–219. 9. Ajito K., Ueno Y. THz chemical imaging for biological applications // IEEE Transactions of Terahertz Science and Technology. – 2011. – Vol. 1, No 1. – P. 293–300. 10. Woodward R. M., Cole B. E., Wallace V. P., Pye R. J., Arnone D. D., Linfield E. H., Pepper M. Terahertz pulse imaging in reflection geometry of skin cancer and skin tissue // Physics in Medicine and Biology. – 2002. – Vol. 47. – P. 3853–3855. 11. Hirmer M., Danilov S. N., Giglberger S., Putzger J., Niklas A., Jager A., Hiller K. A., Loffler S., Schmalz G., Redlish B., Schulz I., Monkman G., Ganichev S. D. Spectroscopic study of human teeth and blood visible to terahertz frequencies for clinical diagnostics of dental pulp vitality // International Journal of Infrared, Millimeter and Terahertz Waves. – 2012. – Vol. 33. – P. 366–375. 12. Federici J., Moeller L. Review of terahertz and subterahertz wireless communications // Journal of Applied Physics. – 2010. – Vol. 107, No 11. – Article ID 111101. – 22 p. 13. Song H.-J., Nagatsuma T. Present and future of terahertz communications // IEEE Transactions of Terahertz Science and Technology. – 2011. – Vol. 1, No 1. – P. 256–263. 14. Nagatsuma T., Horiguchi S., Minamikata Y., Yoshimizu Y., Hisatake S., Kuwano S., Yoshimoto N., Terada J., Takahashi H. Terahertz wireless communications based on photonics technologies // Optics Express. – 2013. – Vol. 21, No 21. – P. 23736–23747. 15. Nagatsuma T., Ducournau G., Renaud C. C. Advances in terahertz communications accelerated by photonics // Nat. Photonics. – 2016. – Vol. 10. – P. 371–379. 16. Yat Hei Lo, Rainer Leonhardt. Aspheric lenses for terahertz imaging // Optic Express. – 2008. – Vol. 16, No. 20. – P. 15991–15998. 17. Dewey R. J. Design considerations for millimeter wave lens antennas // The Radio and Electronic Engineer. – 1982. – Vol. 52. – P. 551–558. 18. Cloutier G. G., Bekefi G. Scanning characterisitcs of microwave aplanatic lenses // IRE Transactions on Antennas and Propagation. – 1957. – Vol. AP-5, P. 391–396. 19. Nazarov M. M., Shilov A. V., Bzheumikhov K. A., Margushev Z. C., Sokolov V. I., Sotsky A. B., Shkurinov A. P. Eight-capillary cladding THz waveguide with low propagation losses and dispersion // IEEE Trans. Terahertz Sci. Technol. – 2018. – Vol. 8. – P. 183–191. 20. Ali S., Ahmed N., Aljunid S., Ahmad B. Hybrid porous core low loss dispersion flattened fiber for THz propagation // Photon. Nanostruct. – 2016. – Vol. 22. – P. 18–23. 21. Takehito Suzuki, Masashi Sekiya, Hideaki Kitahara. Terahertz beam focusing through designed oblique metal-slit array // Applied Optics. – 2019. – Vol. 58, No. 15. – Р. 4007–4013. 22. Kock W. E. Metal-lens antennas // Proc. IRE. – 1946. – Vol. 34. – P. 828–836. 23. Kock W. E. Metallic Delay Lenses // Bell System Technical Journal. – 1948. – Vol. 27. – Р. 58–82. 24. Mendis R., Mittleman D. M. Artifical dielectrics // IEEE Microwave Magazine. – 2014. – P. 34–42. 25. Minin O. V., Minin I. V. Diffractional optics of millimeter waves. – Bristol and Philadelphia : Institute of Physics Publishing, 2004. – 396 p. 26. Yang Q., Gu J., Wang D., Zhang X., Tian Z., Ouyang C., Singh R., Han J., Zhang W. Efficient flat metasurface lens for terahertz imaging // Opt. Exp. – 2014. – Vol. 22. – P. 25931–25939. 27. Neu J., Krolla B., Paul O., Reinhard B., Beigang R., Rahm M. Metamaterial-based gradient index lens with strong focusing in the THz frequency range // Opt. Exp. – 2010. – Vol. 18. – P. 27748–27757. 28. Suzuki T., Yonamine H., Konno T., Young J. C., Murai K., Miyamaru F., Takano K., Kitahara H., Hangyo M. Analysis and design of concave lens with metallic slit array for terahertz wave band // Appl. Phys. A. – 2014. – Vol. 115. – P. 495–500. 29. Mendis R., Nagai M., Wang Y., Karl N., Mittleman D. M. Terahertz Artificial Dielectric Lens // Scientific Reports. – 2016. – Vol. 6. – P. 23023. doi: 10.1038/srep23023. 30. Jones S. S. D., Brown J. Metallic Delay Lenses // Nature. – 1949. – Vol. 163. – P. 324–325. 31. Brown J. Artificial dielectrics having refractive indices less than unity // Proc. IEE. – 1953. – Vol. 100. – P. 51–62. 32. Mendis R., Nag A., Chen F., Mittleman D. M. A tunable universal terahertz filter using artificial dielectrics based on parallel-plate waveguides // Appl. Phys. Lett. – 2010. – Vol. 97. – P. 131106. doi: 10.1063/1.3495994. 33. Mendis R., Liu J., Mittleman D. M. Terahertz mirage: deflecting terahertz beams in an inhomogeneous artificial dielectric based on a parallel-plate waveguide // Appl. Phys. Lett. – 2012. – Vol. 101. – P. 111108. doi: 10.1063/1.4752241. 34. Torres V. et al. Experimental demonstration of a millimeter-wave metallic ENZ lens based on the energy squeezing principle // IEEE Trans. Antennas Propag. – 2015. – Vol. 63. – P. 231–239. 35. Savini G., Ade P. A. R., Zhang J. A new artificial material approach for flat THz frequency lenses // Opt. Express. – 2012. – Vol. 20. – P. 25766–25773. 36. Takebayashi Y., Konno T., Shimada S., Miyamaru F., Young J. C., Kitahara H., Takano K., Hangyo M., Suzuki T. Focusing effect measurements of artificial dielectric multilayer lens with metal rectangular chips for terahertz wave band // Appl. Phys. A. – 2014. – Vol. 115. – P. 501–508. 37. Hu D., Wang X., Feng S., Ye J., Sun W., Kan Q., Klar P. J., Zhang Y. Ultrathin terahertz planar elements // Adv. Opt. Mater. – 2013. – Vol. 1. – P. 186–191. 38. Jiang X.-Y., Ye J.-S., He J.-W., Wang X.-K., Hu D., Feng S.-F., Kan Q., Zhang Y. An ultrathin terahertz lens with axial long focal depth based on metasurfaces // Opt. Express. – 2013. – Vol. 21. – P. 30030–30038. 39. Park S.-G., Lee K., Han D., Ahn J., Jeong K.-H. Subwavelength silicon through-hole arrays as an alldielectric broadband terahertz gradient index metamaterial // Appl. Phys. Lett. – 2014. – Vol. 105. – P. 091101. 40. Yang Q., Gu J., Wang D., Zhang X., Tian Z., Ouyang C., Singh R., Han J., Zhang W. Efficient flat metasurface lens for terahertz imaging // Opt. Express. – 2014. – Vol. 22. – P. 25931–25939. 41. Togashi T., Kitahara H., Takano K., Hangyo M., Mita M., Young J. C., Suzuki T. Terahertz pathlength lens composed of oblique metal slit array // Appl. Phys. A. – 2015. – Vol. 118. – P. 397–402. 42. Minin I.V., Minin O. V. Photonics of isolated dielectric particles of arbitrary 3D shape - a new direction of optical information technologies [Electronic resource] // Vestnik NSU. – 2014. – Vol. 12. – P. 59–70. – Mode of access: http://www.nsu.ru/xmlui/handle/nsu/7717. 43. Minin I. V., Minin O. V. Diffractive optics and nanophotonics: Resolution below the diffraction limit. – Springer, 2016 [Electronic resource]. – Mode of access: http://www.springer.com/us/book/9783319242514#aboutBook. 44. Luk’yanchuk B. S., Paniagua-Domínguez R., Minin I., Minin O., Wang Z. Refractive index less than two: photonic nanojets yesterday, today and tomorrow // Optical Materials Express. – 2017. – Vol. 7, Issue 6. – P. 1820–1847. doi: 10.1364/OME.7.001820. 45. Heifetz A., Kong S.-C., Sahakian A. V., Taflove A., Backman V. Photonic Nanojets // Journal of Computational and Theoretical Nanoscience. – 2009. – Vol. 6. – P. 1979–1992. 46. Минин И. В., Минин О. В. Фотонные струи в науке и технике // Вестник СГУГиТ. – 2017. – Т. 22, № 2. – С. 212–234. 47. Pacheco-Pena V., Beruete M., Minin I. V., Minin O. V. Terajets produced by 3D dielectric cuboids // Appl. Phys. Lett. – 2014. – Vol. 105. – P. 084102. 48. Pacheco-Pena V., Beruete M., Minin I. V., Minin O. V. Multifrequency focusing and wide angular scanning of terajets // Optics Letters. – 2015. – Vol. 40, Issue 2.