Управляемый ультразвуком поляризатор терагерцового излучения

Изобретение относится к оптике терагерцового (ТГц) диапазона (частота излучения от 1 до 10 ТГц) [1] и может быть использовано для поляризации и амплитудной модуляции ТГц излучения без использования мобильных оптических устройств, размещаемых на пути пучка излучения.

Для управления поляризацией ТГц излучения используют, главным образом, металлические [2] и полимерные поляризаторы [3], представляющие собой дифракционные решетки со стационарным пространственным распределением чередующихся полосовых прозрачных и проводящих областей [4].

Реже для поляризации терагерцового излучения используют его отражение под углом Брюстера от стопки кварцевых пластин [5]. Основным недостатком такого поляризатора, как и других известных дифракционных поляризаторов [2-4], является невозможность его регулировки или исключения из экспериментальной установки без механического перемещения.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является металлический поляризатор, содержащий прозрачную твердотельную основу в виде плоскопараллельной пластины, многослойную металлическую дифракционную решетку, сформированную в пластине и состоящую из изолированных друг от друга идентичных металлических полосок, одинаково ориентированных в плоскостях, параллельных фронтальным граням пластины [6]. Основным недостатком известного поляризатора является невозможность управления степенью поляризации контролируемого излучения без механического перемещения устройства или образующих его элементов.

В основу изобретения поставлена задача обеспечения возможности регулирования степени поляризации контролируемого излучения без механического перемещения устройства или образующих его элементов.

Суть изобретения заключается в том, что известный поляризатор, содержащий прозрачную среду со сформированной в ней из проводящего материала объемной дифракционной решеткой, щели которой ориентированы перпендикулярно направлению распространения излучения, дополнительно содержит герметичный контейнер, снабжен входным и выходным окнами, ориентированными перпендикулярно пучку излучения, а также - источником ультразвука, испускающим пересекающую световой пучок волну, и плоским рефлектором, отражающим звук в обратном направлении; причем, средой формирования решетки выбрана заполняющая контейнер жидкость, содержащая взвешенные в ней углеродные нанотрубки.

Возможность регулирования степени поляризации контролируемого излучения без механического перемещения поляризатора или образующих его элементов достигается путем изменения мощности ультразвуковой (УЗ) волны, формирующей при взаимодействии с отраженной звуковой волной стоячую волну, в узлах которой концентрируются и ориентируются взвешенные в жидкости углеродные нанотрубки (УНТ), поглощающие электромагнитное излучение с напряженностью электрического поля, совпадающей с направлением ориентации УНТ; чем больше интенсивность У3-волны, тем концентрированнее слои УНТ, тем больше проводимость этих слоев и тем сильнее поглощается электрическая составляющая излучения, направленная вдоль волнового фронта звуковой волны.

Способность сонаправленных УНТ, нанесенных на плоскую подложку, поляризовать проходящее через них ТГц излучение описана в работе [7]. Как и всем иным вышеописанным устройствам, поляризатору на основе упорядоченного слоя УНТ присуща невозможность управления степенью поляризации проходящего через него излучения без механического перемещения самого устройства.

О возможности пространственной ориентации УНТ, взвешенных в жидкости, с помощью интенсивной стоячей ультразвуковой волны сообщается в работах [8, 9]. Под воздействием звукового давления УНТ концентрируются в узлах волны и ориентируются вдоль ее волнового фронта, причем степень концентрации и ориентации частиц пропорциональна интенсивности волны.

На Фиг. 1 приведена схема заявляемого устройства, где цифрами обозначены: 1 - герметичный контейнер; 2 - прозрачная жидкость, содержащая взвешенные в ней углеродные нанотрубки (УНТ); 3 - излучатель ультразвука; 4 - рефлектор ультразвука; 5 - трехмерная дифракционная решетка, образованная слоевыми скоплениями и разрежениями УНТ; 6 - входное окно контейнера 1; 7 - коллимированный пучок неполяризованного ТГц излучения; 8 - источник ТГц излучения; 9 - пучок линейно поляризованного излучения; 10 - выходное окно контейнера 1.

Поляризатор работает следующим образом. В контейнере 1, наполненном жидкостью 2, излучатель 3 создает продольную ультразвуковую волну. Эта бегущая волна достигает рефлектора 4 и отражается им в противоположном направлении. В результате интерференции падающей и отраженной звуковых волн в жидкости 2 формируется акустическая стоячая волна. Под воздействием ее давления, углеродные нанотрубки (УНТ), взвешенные в жидкости 2, перераспределяются таким образом, что концентрация частиц в узлах волны повышается, а в пучностях - понижается. Чередование областей повышенной и пониженной концентрации УНТ образует проводящую трехмерную дифракционную решетку 5, в которой УНТ ориентированы вдоль волнового фронта звуковой волны. Поступающий через окно 6 пучок 7 неполяризованного ТГц излучения, генерируемого источником 8, взаимодействует с решеткой 5 и приобретает в результате этого выраженную эллиптическую (в пределе - линейную) поляризацию. Полученный таким образом пучок 9 поляризованного излучения покидает контейнер 1 через выходное окно 10. Изменяя интенсивность УЗ-волны, можно управлять степенью поляризации излучения, прошедшего через поляризатор; эта возможность является следствием зависимости концентрации УНТ в узлах УЗ-волны от ее интенсивности: чем интенсивнее волна, тем концентрированнее слои УНТ, тем больше проводимость этих слоев и тем сильнее поглощается электрическая составляющая излучения, направленная вдоль волнового фронта звуковой волны.

В качестве примера применения заявляемого устройства, рассмотрим возможность поляризации с его помощью излучения с длиной волны λ=130 мкм. В качестве жидкой среды, содержащей УНТ, выберем чистый гексан, прозрачный для ТГц излучения [10] и характеризуемый затуханием звука в нем равным 10^-3 см^-1/МГц² и скоростью равной 1080 м/с при комнатной температуре [11]. Углеродные нанотрубки выберем цилиндрической формы диаметром 1÷3 нм и длиной до 1 мм [12]. Контейнер выберем в виде металлического куба с ребром равным 10 мм и снабдим его двумя окнами из полимера ТРХ (полиметилпентен) [4]. Излучатель ультразвука выберем изготовленным из пьезокерамики ЦТС-19 с размерами излучающей поверхности 8×10 мм и имеющим толщину, соответствующую резонансной частоте 11 МГц; рефлектор УЗ-волны - плоская металлическая пластинка размером 8×10 мм. Для генерации ультразвука приложим к излучателю напряжение с частотой 11 МГц и амплитудой 20 В, что соответствует интенсивности бегущей волны 5 Вт/см². В результате взаимодействия прямой и отраженной звуковых волн, в контейнере образуется стоячая волна с периодом 50 мкм и интенсивностью примерно 50 Вт/см², обуславливающая формирование виртуальной дифракционной решетки из слоевых скоплений и разрежений взвешенных в гексане УНТ. Проволочные дифракционные решетки с таким периодом широко используются для поляризации ТГц излучения [2, 13] и обеспечивают близкую к 100% степень поляризации излучения. При интенсивности УЗ-волны меньше 50 Вт/см² (в результате понижения приложенного к пьезокерамическому излучателю электрического напряжения) границы между областями уплотнений и разрежений УНТ размываются (при сохранении периода их чередования), а степень поляризации проходящего через устройство излучения понижается.

Таким образом, по сравнению с прототипом, заявляемое устройство обеспечивает возможность регулирования степени поляризации контролируемого ТГц излучения без механического перемещения поляризатора или образующих его элементов.

Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки:

1. Handbook of terahertz technology for imaging, sensing and communications. Ed. by D. Saeedkia // Elsevier, 2013 (Woodhead Publishing Series in Electronic and Optical Materials, No. 34). - 688 p.

2. Cherkassky V.S., Knyazev B.A., Kulipanov G.N., Matveenko A.N., Rudych P.D., Vinokurov N.A. Study of polarizer characteristics with a high-power terahertz free electron laser // Intern. J. Infrared and Millim. Waves, 2007, v.28. No. 3, p.219-222.

3. Shiraishi K. and Muraki K. Metal-film subwavelength-grating polarizer with low insertion losses and high extinction ratios in the terahertz region // Optics Express., 2015, v. 23, Is. 13, p.16676-16681.

4. http://www.tydexoptics.com/ru/products/thz_optics/thz_polarizersl/

5. Wojdyla A. and Gallot G. Brewster's angle silicon wafer terahertz linear polarizer//Optics Express, 2011, v. 19, Is. 15, p.14099-14107.

6. Mao H.-Y., Xia L.-P., Rao X.-H., Cui H.-L., Wang S.-J., Deng Y.-S., Wei D.-S., Shen J., Xu H.-M., and Du C.-L. A terahertz polarizer based on multilayer metal grating filled in polyimide film // IEEE Photonics Journal, 2016, v. 8, No. 1, Art. 2200206 (прототип).

7. Ren L., Cary L. Pint C.L., Booshehri L.G., Rice W.D., Wang X., Hilton D.J., Takeya K., Kawayama I., Tonouchi M., Hauge R.H., and Kono J. Carbon nano-tube terahertz polarizer // Nano Letters, 2009, v. 9, No. 7, p.2610-2613.

8. Haslam M.D., Raeymaekers B. Aligning carbon nanotubes using bulk acoustic waves to reinforce polymer composites // Composites (B), 2014, v. 60, p.91-97.

9. Иванов B.B., Лошкарев A.A., Сухарев B.C., Карпович А.Л., Лизунова А.А., Власова М.Ф. Анизотропные спектры затухания ультразвука в водных дисперсиях с ориентированными углеродными нанотрубками // Доклады Академии Наук, 2016, т. 466, №6, с. 653-655.

10. Pedersen J.E. and Keiding S.R. THz time-domain spectroscopy of nonpolar liquids // IEEE J. Quantum Electronics, 1992, v.28, No. 10, p.2518-2522.

11. Таблицы физических величин. Под ред. И.К. Кикоина. - М.: Атомиздат, 1976. - 1005 с.

12. https://ocsial.com/ru/

13. Trofimov A.D., Chebotarev V.S., and Khodzitsky M.K. Metal grating terahertz polarizers on substrate // Progress In Electromagnetic Research Symposium (PIERS), St. Petersburg, 2017, p.3223-3225. doi: 10.1109/PIERS.2017.8262311