Способ управления спектром пучка широкополосного терагерцевого излучения

Изобретение относится к оптике дальнего инфракрасного (ИК) и терагерцевого (ТГц) диапазонов и может найти применение в установках, содержащих широкополосные источники ТГц-излучения (нагретое тело, синхротрон, импульсные лазеры), в ИК плазмонной и фурьеспектроскопии проводящей поверхности и тонких слоев на ней, в перестраиваемых фильтрах ИК- и ТГц-излучения.

По своему принципу действия оптические фильтры подразделяют на абсорбционные (изготовленные из веществ, имеющих полосы поглощения в пределах спектра пучка), интерференционные (состоящие из прозрачной пластины, поверхность которой содержит многослойное покрытие с чередующимися высоким и низким показателями преломления), отражательные (действие которых основано на спектральной зависимости отражения непрозрачного материала), поляризационные (их применение основано на том, что отраженное объектом излучение частично поляризовано), дисперсные (функционирующие на основе зависимости показателя преломления вещества фильтра от длины волны) (Э. Ангерер. Техника физического эксперимента // М.: Физматлит, 1962. с. 317-324) [1].

Наиболее простым и широко распространенным способом управления спектром пучка широкополосного ИК-излучения является пропускание пучка через селективный по частоте фильтр [1]. Интенсивность излучения в пределах полос поглощения изменяют путем изменения расстояния, проходимого излучением в веществе фильтра. Основными недостатками такого способа является ограниченность диапазона частот, подвергаемого регулировке и определяемого расположением полос поглощения вещества фильтра на оси частот, а также - невозможность оперативного управления спектром пучка.

Известен способ управления спектром пучка широкополосного ТГц-излучения, включающий размещение на пути пучка селективно поглощающего фильтра, выполненного в виде упорядоченного набора идентичных отверстий в проводящем экране (Melo A.M., Kornberg M.A., Kaufmann P. et al. Metal mesh resonant filters for terahertz frequencies // Applied Optics, 2008, v. 47, No. 32, p. 6064-6069) [2]. Положением полосы пропускания фильтра на оси частот и шириной полосы управляют формой и размерами отверстий, а также - расстоянием между ними. Основным недостатком известного способа является невозможность оперативного управления амплитудно-частотным спектром пучка.

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности является способ управления спектром пучка широкополосного ТГц-излучения, включающий размещение на пути пучка селективно поглощающего фильтра в виде поверхности проводящей пластины, придание излучению p-поляризации, преобразование поляризованного излучения в пучок направляемых поверхностью поверхностных плазмон-поляритонов (ППП) - разновидности поверхностных электромагнитных волн, преобразование ППП в пучок объемных электромагнитных волн после пробега ими по пластине макроскопического расстояния, регулирование верхней частотной границы спектра изменением расстояния пробега плазмон-поляритонов (Патент РФ на изобретение №2491587, Бюл. №24 от 27.08.2013) [3]. Основным недостатком известного способа является невозможность оперативного управления нижней частотной границей спектра.

Технический результат изобретения направлен на обеспечение возможности оперативного управления не только верхней, но и нижней частотной границей спектра пучка широкополосного ТГц-излучения.

Технический результат достигается тем, что в способе управления спектром пучка широкополосного ТГц-излучения, включающем размещение на пути пучка селективно поглощающего фильтра в виде поверхности проводящей пластины, придание излучению р-поляризации, преобразование поляризованного излучения в пучок направляемых поверхностью поверхностных плазмон-поляритонов, преобразование плазмон-поляритонов в пучок объемных электромагнитных волн после пробега ими по пластине макроскопического расстояния и регулирование верхней границы спектра изменением расстояния пробега плазмон-поляритонов, согласно изобретению пучок плазмон-поляритонов отражают плоским зеркалом, отражающая грань которого примыкает своим ребром к поверхности пластины, отклонена в плоскости поверхности пластины от нормали к треку пучка и снабжена осью вращения, совпадающей с ребром отражающей грани зеркала, а регулирование нижней границы спектра осуществляют изменением угла наклона зеркала к поверхности пластины путем поворота зеркала вокруг оси.

Оперативность управления нижней частотной границей спектра пучка плазмон-поляритонов достигается путем изменения угла наклона плоского зеркала, примыкающего ребром отражающей грани к поверхности пластины и размещенного на пути пучка ППП, вследствие изменения при этом сообщаемой зеркалом отрицательной добавки Δ к волновому вектору ППП , достаточной для преобразования длинноволновых ППП в объемные электромагнитные волны, излучаемые в окружающую среду.

Обоснуем неизбежность трансформации длинноволновых ППП в объемные электромагнитные волны при взаимодействии этих ППП с плоским зеркалом, отклоненным от нормали к поверхности пластины в сторону распространения излучения.

Известно, что вещественная часть k' волнового числа ППП k больше волнового числа k₀=2π/λ плоской волны в вакууме (где λ - длина этой волны), что обуславливает неизлучающий характер ППП (Поверхностные поляритоны. Электромагнитные волны на поверхностях и границах раздела сред / Под ред. В.М. Аграновича и Д.Л. Миллса. - М.: Наука, 1985. - 525 с.) [4]. При размещении в поле ППП какого-либо предмета (края экрана, дифракционной решетки на поверхности образца, ребра прозрачной призмы и т.п.), волновой вектор ППП , в результате дифракции волны на этом предмете, получает отрицательное приращение Δ. Если выполняется условие:

где Δk - модуль приращения Δ, то ППП преобразуется в плоскую волну, распространяющуюся в окружающей среде под некоторым углом к поверхности образца. Если таким предметом является плоское зеркало, отражающая грань которого примыкает к поверхности образца, перпендикулярна треку ППП и отклонена (в сторону направления распространения ППП) от нормали к поверхности на угол α, а величина Δk удовлетворяет равенству в соотношении (1), то ППП трансформируется в плоскую волну, распространяющуюся под углом 2α к поверхности в направлении, противоположном ходу ППП (Рис. 1, где: 1 - образец (проводящая пластина); 2 - зеркало). Однако, если условие (1) не выполнено, то ППП сохраняет свою природу и после взаимодействия с зеркалом распространяется по образцу в обратную сторону. Размещение зеркала в плоскости, не содержащей нормали к плоскости падения излучения (т.е. поворот зеркала на угол β относительно трека ППП, см. Рис. 2б), приводит только к изменению направления распространения отраженных ППП в соответствии законом отражения объемной волны плоским зеркалом (Bell R.J., Goben С.А., Davarpanah M., Bhasin K., Begley D.L., Bauer A.C. Two-dimensional optics with surface electromagnetic waves // Applied Optics, 1975, v. 14 (6), p. 1322-1325) [5]. Поскольку при выполнении равенства (1) проекция волнового вектора ПЭВна направление распространения порожденной на зеркале плоской волны должна быть равна k₀, то согласно Рис. 1 и с учетом факта, что ⎟Im(k)⎟<<Re(k) [4], имеем k₀/k'=cos(2α). Но, так как добавка Δk одинакова для ППП с любой частотой, а величина k' пропорциональна частоте ν излучения [4], то равенство в выражении (1) достигается при увеличении угла α наклона зеркала в первую очередь для длинноволновых ППП. Следовательно, при взаимодействии широкополосного пучка ППП с зеркалом, наклоненным относительно нормали к поверхности на угол α, все длинноволновые ППП с ν≤ν₀ (где ν₀ - граничное значение частоты, соответствующее равенству в выражении (1)), преобразуются в объемные волны, излучаемые в окружающую среду. Так исходный пучок ППП «очищают» от длинноволновых составляющих; причем, изменяя угол наклона α зеркала, можно оперативно управлять граничным значением частоты ν₀ «вычищаемых» составляющих. Верхняя же частотная граница спектра пучка ППП определяется как и в способе-прототипе расстоянием пробега ППП по пластине.

Изобретение поясняется чертежами: на Рис. 1 представлена векторная диаграмма преобразования ППП в плоскую волну при взаимодействии с плоским зеркалом, отражающая грань которого перпендикулярна плоскости падения и наклонена на угол α относительно нормали к поверхности образца; на Рис. 2 изображена схема устройства (а - вид сбоку; б - вид сверху), реализующего заявляемый способ; на Рис. 3 приведена расчетная зависимость значения граничной частоты ν₀ от угла наклона зеркала α для пластины, размещенной в вакууме и содержащей на своей плоской поверхности однородный непрозрачный слой напыленного золота.

Предлагаемый способ может быть реализован с использованием устройства, схема которого приведена на Рис. 2, где цифрами обозначены: 3 - источник широкополосного ТГц-излучения; 4 - поляризатор, сообщающий излучению р-поляризацию; 5 - вогнутое цилиндрическое зеркало, фокусирующее излучение на ребро выпуклой цилиндрической поверхности элемента 6, преобразующего излучение в ППП; 1 - плоскогранная пластина, имеющая грань, способную направлять ППП; 2 - перемещаемое вдоль грани пластины 1 плоское зеркало, отражающая грань которого примыкает своим остроугольным ребром к направляющей ППП грани пластины 1 и имеет ось вращения, совпадающую с этим ребром и ориентированную под некоторым углом β к направлению распространения ППП; 7 - элемент преобразования ППП в объемное излучение (ОИ), имеющий выпуклую цилиндрическую поверхность и примыкающий к пластине 1.

Способ реализуется следующим образом. Широкополосное излучение источника 3, содержащее непрерывный ряд гармонических компонент, направляют на поляризатор 4, плоскость пропускания которого совпадает с плоскостью падения излучения. Далее линейно поляризованное излучение фокусируется зеркалом 5 на ребро выпуклой поверхности элемента 6, где оно дифрагирует и с высокой эффективностью (до 90%) (Stegeman G.I., Wallis R.F., Maradudin А.А. Excitation of surface polaritons by end-fire coupling // Optics Letters, 1983, v. 8 (7), p. 386-388) [6] преобразуется в широкополосный пучок ППП, имеющий спектр, идентичный спектру излучения источника 3. Направляемый цилиндрической поверхностью элемента 6, пучок ППП переходит на грань пластины 1. Распространение пучка по пластине 1 сопровождается экспоненциальным затуханием его гармонических компонент, причем коэффициент затухания каждой из них пропорционален квадрату частоты данной компоненты. Поэтому по мере распространения пучка по пластине 1 его спектр искажается таким образом, что в большей степени гасятся его высокочастотные составляющие; изменяя расстояние пробега ППП, можно оперативно регулировать высокочастотную границу спектра пучка (в этом состоит принцип способа-прототипа). По достижении пучком зеркала 2, наклоненного к нормали к грани пластины 1 на угол α, происходит разделение составляющих пучка на две категории: удовлетворяющих и неудовлетворяющих соотношению (1); первые из них преобразуются в объемное излучение (ОИ), уходящее от пластины 1, а вторые сохраняют характер поверхностной волны и распространяются по пластине 1 в обратном направлении, но под углом 2β к направлению падающего на зеркало 2 пучка ППП. Лишенный длинноволновых компонент пучок ППП достигает края грани пластины 1 и переходит на цилиндрическую поверхность элемента 7, где он трансформируется на свободном ребре этой поверхности в объемное излучение (ОИ) с искомым спектром. Нижнюю частотную границу спектра пучка ОИ, излучаемого со свободного ребра цилиндрической поверхности элемента 7 можно оперативно изменять, изменяя угол α наклона зеркала 2, а верхнюю границу - путем перемещения зеркала 2 вдоль трека ППП.

В качестве примера применения заявляемого способа рассмотрим возможность управления спектром пучка излучения синхротрона, содержащим непрерывный ряд гармонических компонент в диапазоне частот ν от 17 см^-1 до 600 см^-1 (Кулипанов Г.Н., Скринский А.Н. Использование синхротронного излучения: состояние и перспективы // УФН, 1977, т. 122, вып. 3, с. 369-418) [7]. Для этого в качестве фильтра выберем размещенную в вакууме оптическую поверхность золота, диэлектрическую проницаемость которого рассчитаем по модели Друде, полагая столкновительную частоту свободных электронов, равной 215 см^-1, а плазменную - 72800 см^-1 (Ordal М.А., Bell R.J., Alexander R.W. et al. Optical properties of fourteen metals in the infrared and far infrared: Al, Co, Cu, Au, Fe, Pb, Mo, Ni, Pd, Pt, Ag, Ti, V, and W // Applied Optics, 1985, v. 24 (24), p. 4493-4499) [8]. Показатель преломления k'=k'/k₀ каждой из компонент пучка ППП рассчитаем, решая дисперсионное уравнение ППП для двухслойной структуры [4]. Располагая зависимостью k'(ν) и учитывая выше полученное соотношение k₀/k'=cos(2α), можно получить зависимость граничной частоты ν₀ от угла наклона α зеркала 2.

Расчетные частотные зависимости спектра пучка ТГц-излучения синхротрона до плазмонного фильтра и после него при различных расстояниях пробега ППП в отсутствии зеркала 2, взаимодействующего с плазмонным пучком, приведены на Рис. 2 описания прототипа. Размещение же такого зеркала на треке ППП приводит к отсечке низкочастотной части спектра по границе ν=ν₀. На Рис. 3 данного описания приведена расчетная зависимость значения граничной частоты ν₀ спектра ППП на границе «золото-вакуум» от угла наклона α зеркала 2. Анализ этой зависимости позволяет утверждать, что изменение угла α с точностью 2ʺ позволяет регулировать значение граничной частоты ν₀ спектра пучка ППП с точностью около 1 см^-1. Управлять же высокочастотной частью спектра пучка ТГц-излучения можно, согласно прототипу, перемещением зеркала 6 вдоль трека ППП.

Таким образом, рассмотренный пример наглядно демонстрирует возможность заявляемым способом осуществлять оперативное управление как низкочастотной, так и высокочастотной частями спектра пучка широкополосного ТГц-излучения.

Источники информации

[1] Э. Ангерер. Техника физического эксперимента // М.: Физматлит, 1962. с. 317-324.

[2] Melo A.M., Kornberg М.А., Kaufmann P. et al. Metal mesh resonant filters for terahertz frequencies // Applied Optics, 2008, v. 47, No. 32, p. 6064-6069.

[3] Жижин Г.Н., Князев Б.А., Никитин A.K., Герасимов В.В. Способ управления спектром пучка широкополосного терагерцевого излучения // Патент РФ на изобретение №2491587, Бюл. №24 от 27.08.2013 г. (прототип).

[4] Поверхностные поляритоны. Электромагнитные волны на поверхностях и границах раздела сред / Под ред. В.М. Аграновича и Д.Л. Миллса. - М.: Наука, 1985. - 525 с.

[5] Bell R.J., Goben C.A., Davarpanah M., Bhasin K., Begley D.L., Bauer A.C. Two-dimensional optics with surface electromagnetic waves // Applied Optics, 1975, v. 14 (6), p. 1322-1325.

[6] Stegeman G.I., Wallis R.F., Maradudin A.A. Excitation of surface polaritons by end-fire coupling // Optics Letters, 1983, v. 8 (7), p. 386-388.

[7] Кулипанов Г.Н., Скринский A.H. Использование синхротронного излучения: состояние и перспективы // УФН, 1977, т. 122, вып. 3, с. 369-418.

[8] Ordal М.А., Bell R.J., Alexander R.W. et al. Optical properties of fourteen metals in the infrared and far infrared: Al, Co, Cu, Au, Fe, Pb, Mo, Ni, Pd, Pt, Ag, Ti, V, and W // Applied Optics, 1985, v. 24 (24), p. 4493-4499.