Устройство для преобразования инфракрасного излучения в поверхностную электромагнитную волну на цилиндрическом проводнике

Изобретение относится к области информационных технологий, реализуемых с использованием поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ) инфракрасного (ИК) и терагерцового (ТГц) диапазонов; может найти применение в коммуникационных сетях, в сенсорных и аналитических устройствах на основе цилиндрических проводников проволочного типа, способных направлять поверхностные плазмон-поляритоны (ППП), являющиеся разновидностью ПЭВ [1].

Генерацию ИК ППП на плоской поверхности осуществляют, чаще всего, воздействуя на нее объемной волной источника излучения. При этом, для согласования фазовых скоростей излучения и ППП, а также их волновых векторов, используют явление дифракции плоской волны на том или ином дифракционном элементе (крае экрана, ребре прозрачной призмы, планарной дифракционной решетке или просто неоднородности на поверхности), размещенном в пределах глубины проникновения поля ППП в окружающую среду [2]. Для генерации ППП на цилиндрической поверхности проволочных носителей информации также используют метод дифракции объемной волны источника на размещенном вблизи поверхности цилиндрического проводника объекте [3]. Впоследствии, с целью повышения эффективности преобразования излучения источника в ППП, было предложено придавать падающему на цилиндрический проводник излучению радиальную поляризацию [4]. Однако, и в этом случае, эффективность не превышала 10%.

Новым шагом, с помощью которого предполагалось повысить эффективность преобразования излучения источника в ППП, явилось предложение придавать поперечному сечению излучения источника кольцевое распределение интенсивности, применяя для этого аксиконные линзы, формирующие бесселев пучок нулевого порядка, и методику несимметричной дифракции излучения на круговом ребре торца цилиндрического проводника [5]. Применение такого приема, по утверждению авторов, позволило в эксперименте в микроволновом диапазоне довести эффективность преобразования до 17%. Однако, такая оценка эффективности является сильно завышенной, поскольку, как следует из публикации, авторы не учитывали энергию во внешних кольцах бесселева пучка, которая может составлять большую часть полной энергии излучения источника (см. Рис. 3 и Рис. 6 в [6]).

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является предложенное в [7] устройство для преобразования лазерного терагерцового излучения лазера в поверхностные плазмон-поляритоны (ППП) на поверхности проволочного проводника, содержащее источник линейно поляризованного излучения, спиральную фазовую дифракционную решетку, преобразующий гауссов пучок излучения в бесселев пучок одного из высших порядков с кольцевым распределением интенсивности в поперечном сечении, поляризационный конвертер, преобразующий линейно поляризованное излучение в излучение с радиальной поляризацией, проволочный проводник с круговым торцом, ориентированным перпендикулярно плоскости падения излучения. Авторы работы [7] оценили возможную эффективность преобразования величиной 60%. Однако такая эффективность в рассматриваемых условиях принципиально недостижима. Во-первых, при использовании для формирования бесселева пучка спирального аксикона, только 40,5% энергии может участвовать в формировании пучка [8]. Во-вторых, для возбуждения ППП предлагается использовать первое (внутреннее) кольцо сформированного бесселевого пучка, в котором содержится лишь около 10% энергии пучка [6, 9]. В-третьих, при формировании ППП методом дифракции на кромке торца велики потери энергии в рассеянное излучение, что еще более снижает эффективность устройства. Работа содержит большое количество грубых ошибок и неточностей в описании функционирования устройства. Рисунки 5 и 6, описывающие распределение поля волны, не верны.

Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является повышение эффективности преобразования монохроматического инфракрасного или терагерцового излучения в поверхностную электромагнитную волну на цилиндрическом проводнике.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для преобразования инфракрасного монохроматического излучения в поверхностную электромагнитную волну (ПЭВ) на цилиндрическом проводнике, содержащем источник излучения с плоским волновым фронтом, поляризационный конвертер, придающий излучению радиальную поляризацию, круговую фазовую дифракционную решетку, преобразующую плоскую волну в суперпозицию конически сходящихся к ее оптической оси плоских волн, и размещенный на оптической оси дифракционной решетки проводник, торец которого ориентирован перпендикулярно плоскости падения излучения, согласно изобретению освещаемая излучением часть цилиндрической поверхности проводника содержит эшелетт, штрихи которого перпендикулярны плоскости падения и имеют наклон, обеспечивающий совпадение диаграммы направленности первого дифракционного максимума с цилиндрической поверхностью проводника, причем излучение падает на эшелетт под углом ϕ, обеспечивающим равенство тангенциальной составляющей волнового вектора излучения волновому вектору ПЭВ и рассчитываемым по формуле:

где κ' - вещественная часть показателя преломления ПЭВ; λ - длина волны излучения; Т - период эшелетта; n_media - показатель преломления окружающей среды.

Повышение эффективности преобразования излучения в ПЭВ достигается вследствие применения дифракции излучения источника на нанесенной на цилиндрическую поверхность проводника дифракционной решетки (эшелетта) с углом блеска, обеспечивающим совпадение диаграммы направленности первого дифракционного максимума с цилиндрической поверхностью проводника, вместо дифракции на неселективной по углу падения и частоте излучения круговой кромке торца проводника. В этом случае сходящееся к оси излучение не успевает сформировать бесселев пучок, а перехватывается эшелеттом при падении на него под строго определенным углом ϕ, обеспечивающим равенство тангенциальной составляющей волнового вектора излучения волновому вектору ПЭВ.

На Фиг. 1 приведена схема заявляемого устройства, где цифрами обозначены: 1 - источник монохроматического инфракрасного излучения с длиной волны А, и плоским волновым фронтом; 2 - поляризационный конвертер; 3 - круговая или спиральная фазовая дифракционная решетка; 4 - цилиндрическая дифракционная решетка (эшелетт), сформированная на цилиндрической поверхности проводника 5.

Заявляемое устройство работает следующим образом. Пучок параллельных лучей излучения источника 1, имеющий круговое поперечное сечение и плоский волновой фронт, падает на поляризационный конвертер 2, который придает излучению радиальную поляризацию. Сформированный таким образом пучок излучения с радиальной поляризацией падает на фазовую дифракционную решетку 3. В результате взаимодействия с ней пучок разлагается в набор плоских волн, каждая из которых характеризуется своим m-ым порядком дифракции. Угол дифракции пучка m-го порядка определяется выражением:

где р - период решетки аксикона, а m=0,±1,±2,…. Излучение пучков отрицательных порядков представляет собой набор конически сходящихся под углом θ_i=π/2-θ_m к цилиндрическому эшелетту 4 на поверхности проводника 5 плоских волн. Максимальную интенсивность имеют волны порядков |m|=1, в каждой из которых содержится 40,5% энергии прошедшего через дифракционную решетку 3 пучка излучения [10]. При использовании цилиндрического эшелетта 4, угол наклона штрихов которого равен θ_i/2, максимум дифрагировавшей в первый порядок волны будет направлен под углом θ_s=π/2, т.е. вдоль цилиндрической поверхности проводника 5, что обеспечивает максимально благоприятные условия для преобразования излучения в ПЭВ на этой поверхности. С учетом того, что дифракционная эффективность эшелетта достигает 95% и более [11, 12], можно утверждать, что эффективность заявляемого устройства близка к 40%.

Отметим требование, предъявляемое к используемому в заявляемом устройства эшелетту 4. Ввиду того, что решетка 3 имеет ограниченный диаметр, в генерировании ПЭВ участвуют только лучи, исходящие из ее кольцевой области, ограниченной радиусами R₁ и R₂, где R₁ - внешний радиус решетки 3, a R₂ - внутренний радиус кольцевой области, из которой лучи падают на эшелетт 4. Поэтому длина эшелетта 4 должна быть не меньше, чем =z₂-z₁=(R₂-R₁)/tgθ_m (где z₁ и z₂ - координаты начала и конца решетки 4), чтобы обеспечить захват всего пучка падающего излучения.

В качестве примера применения заявляемого устройства рассмотрим, основываясь на схеме предложенной нами в [13], возможность преобразования гауссова пучка с линейной поляризацией и длиной волны λ=141 мкм, генерируемого лазером на свободных электронах [14], в ППП, направляемые размещенным в воздухе цилиндрическим проводником 5 диаметром 6 мм с золотым покрытием. Длина распространения таких ППП равна 13 см, а вещественная часть показателя преломления κ'≈1,005 [15]. Пусть на цилиндрической поверхности проводника 5 сформирован эшелетт 4 длиной 17 мм с периодом T=480 мкм со штрихами треугольного профиля с углом наклона 22,5°, что обеспечивает максимум зеркального отражения под углом θ_s=90°. Гауссов пучок с линейной поляризацией преобразуется в гауссов пучок с радиальной поляризацией с помощью сегментной волновой пластинки из кристаллического кварца [16], пропускание которой, при использовании антиотражающего покрытия, близка к 100%. Для формирования из гауссова пучка с радиальной поляризацией набора сходящихся к оси проводника 5 плоских волн, падающих на эшелетт 4 под углом 45°, используем содержащую антиотражающее покрытие [17] бинарную кремниевую дифракционную решетку 3 с периодом р=199 мкм. Указанные параметры дифракционных решеток (бинарной 3 и цилиндрической 4) обеспечивают на эшелетте 4, согласно уравнениям (1) и (2), равенство тангенциальной составляющей волнового вектора излучения волновому вектору ППП, а, следовательно, и трансформацию излучения источника 1 в ППП на поверхности проводника 5. Результирующая эффективность преобразования, которая равна произведению дифракционной эффективности фазовой дифракционной решетки 3 и дифракционной эффективности эшелетта 4, близка к 40%.

Таким образом, применение заявляемого устройства, позволяет по сравнению с устройством-прототипом значительно повысить эффективность преобразования энергии терагерцового излучения источника в энергию поверхностных плазмон-поляритонов, что обусловит повышение соотношения сигнал/шум в измерениях с использованием ППП инфракрасного и терагерцового диапазонов, а также повысит эффективность устройств, использующих ППП.

Источники информации

1. Поверхностные поляритоны. Электромагнитные волны на поверхностях и границах раздела сред / Под ред. В.М. Аграновича и Д.Л. Мил-лса. - М.: Наука, 1985. - 525 с.

2. Vaicikauskas V., Antanavicius R., and Januskevicius R. Efficiency of FIR SEW excitation by aperture, prism and mesh methods // Intern. J. of Infrared and Millimeter Waves, 1999, v.20, No.3, p.447-452.

3. Wang K., Mittleman D.M. Metal wires for terahertz wave guiding // Nature, 2004, v. 432, p.376-379.

4. Zhan Q. Cylindrical vector beams: from mathematical concepts to applications // Advances in Optics and Photonics, 2009, v. 1, p.1-57.

5. Edelmann A., Moeller L., and Jahns J. Coupling of terahertz radiation to metallic wire using the end-fire technique // Electronics Letters, 2013, v. 49, No. 14, p.884-886.

6. Lin Y., Seka W., Eberly J.H., Huang H. and Brown D.L. Experimental investigation of Bessel beam characteristics // Applied Optics, 1992, v. 31(15), p.2708-2713.

7. Edelmann A., Helfert S. and Jahns J. Shaping of electromagnetic fields for THz plasmonics // Proc. of SPIE, 2014, v. 8999, 899913.

DOI: 10.1117/12.2036275 (прототип).

8. Калькулятор эффективности фазовых дифракционных решеток: https://www.holoor.co.il/product/gratings/

9. Choporova, Yu.Yu. High-power Bessel beams with orbital angular momentum in the terahertz range / Yu.Yu. Choporova, B.A. Knyazev, G.N. Kulipanov, V.S. Pavelyev, M.A. Scheglov, N.A. Vinokurov, B.O. Volodkin, V.N. Zhabin // Physical Review A. - 2017. - Vol.96, Issue 2. - 023846.

10. Зайдель A.H., Островская Г.В., Островский Ю.И. Техника и практика спектроскопии. М., "Наука", 1972, стр. 50.

11. Kuang, D. and Fang, Z., 2010, November. Diffraction efficiency analysis of blazed grating fabricated by direct laser writing / In Holography, Diffractive Optics, and Applications IV (Vol.7848, p.78480P). International Society for Optics and Photonics.

12. Loewen EG, Neviere M, Maystre D. Grating efficiency theory as it applies to blazed and holographic gratings // Applied optics. 1977. v. 16(10) P. 2711-21.

13. Князев, Б.А. Возможность генерации терагерцовых и инфракрасных поверхностных плазмон-поляритонов с орбитальным угловым моментом на цилиндрических проводниках с помощью дифракционных оптических элементов / Б.А. Князев, О.Е. Камешков, А.К. Никитин, B.C. Павельев, Ю.Ю. Чопорова // Компьютерная оптика. - 2019. - Т. 43, №6. - С.992-1000.

14. Shevchenko О.А., Arbuzov V.S., Vinokurov N.A., Vobly P.D., Volkov V.N., Getmanov Y.V., Gorbachev Y.I., Davidyuk I.V., Deychuly O.I., Dementyev E.N., Dovzhenko B.A. The Novosibirsk Free Electron Laser -unique source of terahertz and infrared coherent radiation // Physics Procedia, 2016, v.84, p.13-18.

15. Gerasimov V.V., Knyazev B.A., Kotelnikov I.A., Nikitin A.K., Cherkassky V.S., Kulipanov G.N., Zhizhin G.N. Surface plasmon polaritons launched using a terahertz free electron laser: propagating along a gold-ZnS-air inter-face and decoupling to free waves at the surface tail end // JOS A (B), 2013, v.30, Is.8, p.2182-2190.

16. http://www.tydexoptics.com/ru/products/thz_optics/thz_waveplate 1 /

17. Агафонов A.H., Володкин Б.О., Кавеев A.K., Князев Б.А., Кропотов Г.И., Павельев B.C., Сойфер В.А., Тукмаков К.Н., Цыганкова Е.В., Чопорова Ю.Ю. Кремниевые дифракционные оптические элементы для мощного монохроматического терагерцового излучения // Автометрия, 2013, Т. 49, №2, с. 98-105.