Способ определения знака циркулярной поляризации лазерного излучения
Владельцы патента RU 2452924:
Михеев Геннадий Михайлович (RU)
Александров Владимир Алексеевич (RU)
Способ заключается в воздействии лазерного излучения на снабженный двумя электродами фоточувствительный элемент, расположенный облучаемым межэлектродным участком наклонно к падающему пучку лазера. При этом линия, соединяющая электроды по кратчайшему расстоянию, перпендикулярна к плоскости падения лазерного излучения. Производят измерение электрического сигнала между электродами и определяют знак циркулярной поляризации лазерного излучения по полярности электрического сигнала. В качестве фоточувствительного элемента используют серебро-палладиевую резистивную пленку с удельным поверхностным сопротивлением от 10 до 1000 Ом/квадрат. Для получения максимального коэффициента оптоэлектрического преобразования серебро-палладиевую резистивную пленку располагают к пучку лазера под углом ±(60±5)°. Технический результат заключается в расширении рабочего диапазона длин волн. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано для определения поляризационных характеристик лазерного излучения, в частности знака циркулярной поляризации лазерного излучения.
Известен способ определения знака циркулярной поляризации лазерного излучения, в котором излучение лазера направляют на фоточувствительный элемент в виде кристалла теллура, оснащенный с фронтальной и тыльной стороны кольцевыми электродами, полярность сигнала ЭДС между которыми указывает на знак циркулярной поляризации этого излучения [Аснин В.М., Бакун А.А., Данишевский A.M. и др. Обнаружение фотоэдс, зависящей от знака циркулярной поляризации света. // Письма в ЖЭТФ, 1978, т.28, в.2, с.80-84]. Известен также способ определения знака циркулярной поляризации лазерного излучения, в котором излучение лазера направляют на фоточувствительный элемент в виде кристалла ниобата лития, оснащенный с облучаемой стороны плоскими электродами, полярность сигнала ЭДС между которыми указывает на знак циркулярной поляризации лазерного излучения [Казанский П.Г., Прохоров A.M., Черных В.А. Прямое обнаружение циркулярного фототока в ниобате лития. // Письма в ЖЭТФ, 1985, т.41, в.9, с.370-372].
Недостатком указанных способов является использование объемных дорогостоящих оптических кристаллов, которые работают в относительно узком спектральном диапазоне.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ определения знака циркулярной поляризации лазерного излучения, включающий воздействие лазерного излучения на снабженный двумя электродами фоточувствительный элемент, расположенный облучаемым межэлектродным участком наклонно к падающему пучку лазера так, что линия, соединяющая электроды по кратчайшему расстоянию, перпендикулярна к плоскости падения лазерного излучения, измерение электрического сигнала между электродами, определение знака циркулярной поляризации лазерного излучения по полярности электрического сигнала, в котором в качестве фоточувствительного элемента используется пленочная полупроводниковая гетероструктура, представляющая собой квантовую яму [S.D.Ganichev, E.L.Ivchenko, S.N.Danilov, J.Eroms, W.Wegscheider, D.Weiss and W.Pret. Conversion of Spin into Directed Electric Current in Quantum Wells // Physical Review Letters. 2001, vol.86, No.19, p.4358-4361].
Недостатками этого способа являются сложность и трудоемкость изготовления пленочных гетероструктур, невозможность получения пленки с большой площадью. Кроме того, такие гетероструктуры работают лишь в дальней инфракрасной области спектра.
Задачей изобретения является разработка способа определения знака циркулярной поляризации лазерного излучения на основе явления поверхностного циркулярного фотогальванического эффекта в серебро-палладиевой резистивной пленке.
Сущность изобретения заключается в том, что в отличие от известного способа определения знака циркулярной поляризации лазерного излучения, включающего воздействие лазерного излучения на снабженный двумя электродами фоточувствительный элемент, расположенный облучаемым межэлектродным участком наклонно к падающему пучку лазера так, что линия, соединяющая электроды по кратчайшему расстоянию, перпендикулярна к плоскости падения лазерного излучения, измерение электрического сигнала между электродами, определение знака циркулярной поляризации лазерного излучения по полярности электрического сигнала, в качестве фоточувствительного элемента используют серебро-палладиевую резистивную пленку с удельным поверхностным сопротивлением от 10 до 1000 Ом/квадрат.
Для получения максимального коэффициента оптоэлектрического преобразования серебро-палладиевую резистивную пленку располагают к пучку лазера под углом ±(60±5)°.
Техническим результатом изобретения является снижение стоимости способа определения знака циркулярной поляризации лазерного излучения за счет использования в качестве фоточувствительного элемента серебро-палладиевой резистивной пленки, а также расширение рабочего диапазона длин волн - от ультрафиолета (250 нм) до средней инфракрасной области (5000 нм).
На фиг.1 приведена схема устройства, поясняющая предлагаемый способ, где цифрами обозначены: 7 - источник линейно-поляризованного лазерного излучения, 2 - четвертьволновая пластинка, установленная перпендикулярно к лучу лазера, 3 - серебро-палладиевая резистивная пленка, 4 - электроды, 5 - подложка, 6 - осциллограф. Здесь k - волновой вектор падающего излучения, n - нормаль к поверхности пленки; плоскость падения луча на поверхность пленки определяется векторами k и n; α - угол падения; γ - фазовый угол (угол между линиями ne и ξ), определяющий направление вращения вектора электрического поля E и эллиптичность поляризации на выходе четвертьволновой пластины (линия ξ, лежит в плоскости падения, ξ⊥k; ne - оптическая ось четвертьволновой пластины, n0⊥ne); xyz - декартовая система координат (плоскость xy лежит на поверхности резистивной пленки, ось у перпендикулярна к плоскости падения).
На фиг.2 приведены кривые коэффициента преобразования мощности падающего лазерного излучения в электрический сигнал резистивной пленкой в зависимости от угла падения α пучка для положительного знака циркулярной поляризации излучения (вращение вектора напряженности электрического поля происходит по часовой стрелке при наблюдении навстречу световому лучу) 1 и для отрицательного знака циркулярной поляризации излучения против часовой стрелки (вращение вектора напряженности электрического поля происходит против часовой стрелки при наблюдении навстречу световому лучу) 2.
На фиг.3 приведены кривые коэффициента преобразования мощности падающего лазерного излучения в электрический сигнал, возникающего между электродами серебро-палладиевой резистивной пленки при α=45°, в зависимости от угла поворота γ четвертьволновой пластинки, задающего форму и знак циркулярной поляризации лазерного излучения. На фиг.3 экспериментальная кривая 1 получена для пленки, расположенной так, что линия, соединяющая электроды по кратчайшему расстоянию, перпендикулярна к плоскости падения лазерного излучения, кривая 2 - для пленки, расположенной так, что линия, соединяющая электроды по кратчайшему расстоянию, параллельна к плоскости падения лазерного излучения.
Способ осуществляется следующим образом. Лазерное излучение с циркулярной поляризацией (фиг.1) направляется на поверхность серебро-палладиевой резистивной пленки 3, расположенной облучаемым межэлектродным участком наклонно к падающему пучку лазера так, что линия, соединяющая электроды 4 по кратчайшему расстоянию, перпендикулярна к плоскости падения лазерного излучения. Воздействие циркулярно-поляризованного лазерного излучения на поверхность серебро-палладиевой резистивной пленки, сформированной с использованием толстопленочной технологии на диэлектрической подложке 5, из-за явления поверхностного циркулярного фотогальванического эффекта приводит к генерации однополярного сигнала ЭДС между электродами пленки, амплитуда и полярность которого регистрируется осциллографом 6. Левый от плоскости падения луча электрод резистивной пленки, если смотреть в направлении луча, приобретает положительный потенциал относительно правого электрода при положительном угле наклона резистивной пленки по отношению к лазерному лучу и отрицательном знаке циркулярной поляризации лазерного излучении, а также при отрицательном угле наклона резистивной пленки и положительном знаке циркулярной поляризации лазерного излучения. Этот же электрод резистивной пленки приобретает отрицательный потенциал относительно правого электрода при положительном угле наклона и положительном знаке циркулярной поляризации лазерного излучении, а также при отрицательном угле наклона резистивной пленки и отрицательном знаке циркулярной поляризации лазерного излучения.
Серебро-палладиевые резистивные пленки изготавливаются с использованием толстопленочной технологии путем вжигания на изоляционную основу паст, в состав которых входят оксид серебра Ag2O, палладий Pd, стеклянная фритта и растворитель. В процессе высокотемпературных физико-химических процессов формируется резистивная пленка, состоящая из композиции стекла, палладия Pd, оксида палладия PdO и сплава палладия с серебром Pd-Ag. Палладий и сплав палладия с серебром являются проводниками, резистивные свойства композиции придает оксид палладия, который является полупроводником p-типа. Процентное содержание этих компонентов и определяет параметры серебро-палладиевой резистивной пленки, в частности сопротивление и температурный коэффициент сопротивления. Таким образом, резистивная пленка содержит в себе одновременно изолирующую, проводниковую и полупроводниковую фазы.
В случае импульсного лазерного излучения с энергией εlaser и длительностью импульсов τlaser в резистивной пленке возникает однополярная импульсная ЭДС, которая характеризуется своей полярностью p (p может принимать значения ±1), амплитудным значением A (A>0, по определению) и длительностью импульсов τ. Эти характеристики наведенной в пленке ЭДС можно определить с помощью осциллографа. Величину ЭДС U можно выразить через ее полярность и амплитудное значение как U=рА, тогда количественной мерой эффективности оптоэлектрического преобразования в резистивной пленке может служить коэффициент преобразования η, который можно определить следующим образом:
Заметим, что в соответствии с формулой (1) коэффициент преобразования может принимать как положительные, так и отрицательные значения в зависимости от полярности регистрируемого импульса ЭДС.
Вместо осциллографа в качестве регистрирующего устройства можно использовать любой регистратор разнополярного импульсного напряжения, который, например, может состоять из усилителя с широкой полосой пропускания, схемы хранения-выборки и вольтметра, предназначенного для измерения напряжения положительной и отрицательной полярности.
Для импульсного лазерного излучения с фиксированным знаком циркулярной поляризации коэффициент преобразования η лазерной мощности в импульсное электрическое напряжение серебро-палладиевой резистивной пленки зависит от угла падения лазерного луча на поверхность пленки и принимает максимальное значение вблизи углов ±(60±5)°. При этом полярность поверхностного циркулярного фотогальванического эффекта в резистивной пленке зависит как от знака циркулярной поляризации падающего лазерного излучения, так и от знака угла падения луча на поверхность пленки (фиг.2).
Нами экспериментальным путем установлено, что знак коэффициента преобразования мощности (определяемый по формуле (1)) циркулярно поляризованного лазерного излучения в электрический сигнал в серебро-палладиевой резистивной пленке зависит от характеристик поляризации, которые можно изменять вращением четвертьволновой пластинки 2 (фиг.1). Это демонстрируется кривой 1, представленной на фиг.3. При повороте четвертьволновой пластины 2 (через которую проходит линейно поляризованное излучение лазера 1) на определенный угол γ изменяется эллиптичность поляризации и знак циркулярной поляризации. Например, в пределах углов γ от nπ до (n+1)π/2, n=0, 1, 2, …, вращение вектора напряженности электрического поля лазерного излучения, выходящего из четвертьволновой пластинки, происходит против часовой стрелки и знак циркулярной поляризации является отрицательным. В эксперименте этому случаю соответствует положительный знак коэффициента преобразования, или положительная полярность ЭДС, индуцированной в серебро-палладиевой пленке. В пределах углов γ от (n+1)π/2, до (n+1)π вращение вектора напряженности электрического поля лазерного излучения, выходящего из четвертьволновой пластинки, происходит по часовой стрелке и знак циркулярной поляризации является положительным. В эксперименте этому случаю соответствует отрицательный знак коэффициента преобразования, или отрицательная полярность ЭДС, индуцированной в серебро-палладиевой пленке.
Необходимо особо отметить, что в том случае, если линия, соединяющая электроды по кратчайшему расстоянию, параллельна к плоскости падения лазерного излучения, на электродах пленки также возникает электрический сигнал, амплитуда которого зависит от эллиптичности циркулярной поляризации лазерного излучения (фиг.3, кривая 2). Максимальное и минимальное значение электрический сигнал принимает, соответственно, при круговой и линейной поляризации лазерного излучения, но при изменении знака циркулярной поляризации излучения полярность электрического сигнала не изменяется.
Таким образом, при воздействии циркулярно-поляризованным лазерным излучением на поверхность серебро-палладиевой резистивной пленки, расположенной облучаемым межэлектродным участком наклонно к падающему пучку лазера так, что линия, соединяющая электроды по кратчайшему расстоянию, перпендикулярна к плоскости падения лазерного излучения, между электродами пленки возникает электрический сигнал, полярность которого зависит от знака циркулярной поляризации излучения, что, соответственно, позволяет определить знак циркулярной поляризации лазерного излучения, используя в качестве чувствительного элемента серебро-палладиевую резистивную пленку, изготовленную с использованием толстопленочной технологии.
Содержание функциональных исходных материалов, как окись серебра Ag2O и палладий Pd, в пастах для изготовления резистивных пленок с удельным поверхностным сопротивлением от 10 до 1000 Ом/квадрат отличается не более чем в 2 раза, поэтому эти пленки могут использоваться в качестве фоточувствительного элемента в предлагаемом способе определения знака циркулярной поляризации лазерного излучения.
При воздействии циркулярно поляризованным лазерным излучением на серебро-палладиевую резистивную пленку ее максимальный коэффициент оптоэлектрического преобразования достигается при углах падения ±(60±5)°.
1. Способ определения знака циркулярной поляризации лазерного излучения, включающий воздействие лазерного излучения на снабженный двумя электродами фоточувствительный элемент, расположенный облучаемым межэлектродным участком наклонно к падающему пучку лазера так, что линия, соединяющая электроды по кратчайшему расстоянию, перпендикулярна к плоскости падения лазерного излучения, измерение электрического сигнала между электродами, определение знака циркулярной поляризации лазерного излучения по полярности электрического сигнала, отличающийся тем, что в качестве фоточувствительного элемента используют серебро-палладиевую резистивную пленку с удельным поверхностным сопротивлением от 10 до 1000 Ом/квадрат.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что серебро-палладиевую резистивную пленку располагают к пучку лазера под углом ±(60±5)°.
