Ученые Томского политехнического университета совместно с коллегами из Финляндии предложили новый тип Янус частицы-линзы V-образной структуры. Они нужны, чтобы фокусировать звук на субволновом уровне, и могут использоваться, например, в акустических микроскопах, устройствах, позволяющих выявлять скрытые дефекты в объектах, не разрушая их.

Благодаря своей форме частицы фокусируют звук лучше, чем линзы из диэлектриков или зеркала, которые применялись ранее. Их использование позволит увеличить разрешение акустических микроскопов до уровня, превышающего дифракционный предел. Такие частицы просты в изготовлении, их можно напечатать на 3D-принтере.

Результаты исследования опубликованы в трудах конференции на IEEE Xplore.

Сегодня большое распространение получили акустические линзы, состоящие из различных модификаторов поля — пластин, стержней или дисков. Управляя такими элементами, можно влиять на фокусирующие характеристики линзы. 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 — в V-образной структуре пластин: она дает нужную симметрию области фокусировки или акустической струи. Внешнюю форму частиц (в данном случае куб с размером грани 3 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», — рассказывает Олег Минин.

В ходе исследования ученые смоделировали линзу и изучали ее характеристики при помощи экспериментальной установки у коллег из Финляндии для генерации ультразвука и последующей шлирен-визуализации. Шлирен-визуализация — это один из классических методов построения изображения, широко применяемый в акустике. Он является эффективным способом 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.