Рабочий узел детектора импульсного терагерцового излучения
Владельцы патента RU 2637182:
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского" (RU)
Изобретение относится к области оптического приборостроения и касается рабочего узла детектора импульсного терагерцового излучения. Детектор обеспечивает детектирование терагерцового излучения путем изменения направления вектора поляризации оптического фемтосекундного импульса под действием электрического поля терагерцовой волны. Рабочий узел детектора выполнен на основе пластины, изготовленной из кристалла типа цинковой обманки с изотропными показателями преломления в оптическом и терагерцовом диапазоне частот и с величиной углов преломления оптического и терагерцового излучений, достаточных для обеспечения внутри пластины Черенковского угла между направлениями их распространения в условиях прямого облучения входной поверхности пластины терагерцовым излучением. Пластина выполнена с расположением ее поперечной плоскости среза перпендикулярно к кристаллографической оси [110] кристалла и имеет кристаллографическую ось , которая параллельна вектору поляризации терагерцового излучения, и кристаллографическую ось [001] или , которая параллельна вектору поляризации оптического импульса. Технический результат заключается в упрощении конструкции детектора и расширении диапазона длин волн лазерных источников оптических импульсов. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к устройствам для регистрации терагерцового излучения, функционирующим на основе эффекта Поккельса при обеспечении условий Черенковского синхронизма, и может быть использовано в качестве базового конструктивного узла в детекторах широкополосного импульсного терагерцового излучения для высокочувствительного оборудования спектроскопии, микроскопии и имиджинга.
Эффект Поккельса (см., например, переводную с англ. яз. книгу авторов Ярива А. и Юха П. «Оптические волны в кристаллах». М.: Мир, 1987, гл. 7, с. 238), заключающийся в наведении электрическим полем терагерцового импульса в электрооптическом кристалле двойного лучепреломления, приводит к изменению направления вектора поляризации ультракороткого оптического импульса после прохождении им электрооптического кристалла синхронно с терагерцовым импульсом и, таким образом, создает возможность детектирования (измерения временной формы) импульсного терагерцового излучения методом электрооптического стробирования (подробное описание механизма снятия временной формы терагерцового импульса раскрыто в работе Царева М.В. «Генерация и регистрация терагерцового излучения ультракороткими лазерными импульсами». Нижний Новгород, Нижегородский госуниверситет, 2011, гл. 2, с. 42 на сайте в Интернете: http://www.unn.ru/books/met_files/terahertz.pdf).
При этом эффект Поккельса допускает два различных варианта осуществления указанного детектирования, называемые коллинеарный и неколлинеарный методы.
Первый вариант (коллинеарный метод) основывается на использовании эффекта Поккельса в условиях совместного распространения оптического импульса и терагерцового излучения в одном направлении. Для обеспечения оптимального режима детектирования необходимо соблюдение условия равенства групповой скорости оптического импульса и фазовой скорости терагерцового излучения. Согласно данному условию коллинеарный метод эффективен на строго фиксированной длине волны оптического импульса, определяемой оптическими свойствами электрооптического кристалла и задающей ограничения толщины этого кристалла, приводящие к резкому уменьшению указанной толщины при уходе от указанной длины волны оптического импульса (см. статью на англ. яз. авторов Mashkovich Е.А., Shugurov A.I,, Ozawa S., Estacio E., Tani M. and Bakunov M.I. «Noncollinear Electro-Optic Sampling of Terahertz Waves in a Thick GaAs Crystal» - IEEE Transactions on terahertz science and technology. 2015, vol. 5, no. 5, p. 732-736 с датой публикации 19 августа 2015 г. - в пределах полугодовой льготы заявителя настоящей заявки по новизне на сайте в Интернет: http://ieeexplore.ieee.org/xpl/articleDetails.jsp?reload=true&arnumber=7210239&filter%3DAND%28p_IS_Number%3A7230313%29). При этом коллинеарный метод характеризуется недостаточно высокой технологичностью осуществления в расширенном интервале длин волн лазерных источников оптических импульсов и выходит за рамки рассматриваемого в настоящей заявке режима функционирования предлагаемого рабочего узла детектора импульсного терагерцового излучения.
Второй рассматриваемый в настоящей заявке вариант (неколлинеарный метод) основывается на использовании эффекта Поккельса в условиях Черенковского синхронизма (см. указанную выше статью), заключающегося в режиме соблюдения угла Черенкова между направлениями распространения оптического импульса и терагерцового излучения, при котором для обеспечения оптимального режима детектирования необходимо соблюдение условия равенства проекции групповой скорости оптического импульса на направление распространения терагерцового излучения и фазовой скорости терагерцового излучения. При этом в результате изменения режима Черенковского синхронизма появляется возможность эффективного детектирования в расширенном диапазоне длин волн оптических импульсов с устранением ограничения толщины электрооптического кристалла, свойственного коллинеарному методу.
Уровень техники в области средств детектирования, основанного на использовании эффекта Поккельса при обеспечении условий Черенковского синхронизма (неколлинеарного метода - второго варианта осуществления эффекта Поккельса), характеризуется крайне малым количеством источников информации со сведениями о средствах указанного детектирования в сравнении с коллинеарным методом (см., например, содержащие сведения о коллинеарном методе патенты US 6111416 A, G01R 31/308, 2000; US 6414473 B1, G01R 31/00, 2002; US 6865014 B2, G02F 1/355, 2005; US 7177071 B2, G01J 5/00, 2007; US 7894126 B2 G02F 1/355, G02F 1/35, 2011).
Так известен усложненный конструктивно детектор импульсного терагерцового излучения, в котором рабочий узел выполнен из электрооптического кристалла и специальной оптической структуры для ввода терагерцового излучения (см. заявку WO 2015053138, G02F 1/35, G02F 1365, 2015).
В качестве прототипа предлагаемого рабочего узла детектора импульсного терагерцового излучения выбран известный аналогичный узел детектора импульсного терагерцового излучения, выполненный на основе пластины, изготовленной из электрооптического кристалла с его ориентацией по отношению к направлениям распространения терагерцового излучения и оптического фемтосекундного импульса, обеспечивающим детектирование терагерцового излучения путем изменения направления вектора поляризации оптического фемтосекундного импульса под действием электрического поля терагерцовой волны за счет эффекта Поккельса при обеспечении условий Черенковского синхронизма, задающего взаимное соответствие скоростных и пространственных характеристик терагерцового излучения и указанного оптического импульса (см. статью на англ. яз. авторов Tani М. et al. «Efficient electro-optic sampling detection of terahertz radiation via Cherenkov phase matching» - OPTICS EXPRESS. 2011, vol. 19, no. 21, p. 19901-19906).
В указанной статье линейно поляризованный оптический пучок с длительностью импульса 80 фс и центральной длиной волны 800 нм фокусируется на торцевую поверхность пластины LiNbO3, терагерцовое излучение вводится в указанную пластину посредством кремниевой призмы, срезанной под Черенковским углом и прикрепленной к пластине. Прошедший через пластину оптический пучок проходит четвертьволновую пластину, линзу и отражается от зеркала назад. После двукратного прохождения пластины изменение направления вектора поляризации оптического пучка фиксируется с помощью схемы, состоящей из четвертьволновой пластины, призмы Волластона и балансного фотоприемника. При этом поляризация терагерцового излучения параллельна кристаллографической оси пластины LiNbO3 [001], а поляризация оптического пучка при первом проходе через пластину составляет угол 45° с данной осью.
Недостатком прототипа является необходимость двойного прохода оптического пучка через пластину с целью компенсации влияния естественной анизотропии кристалла LiNbO3, что сильно усложняет юстировку оптической схемы и требует дополнительной оптики. Кроме того, для соблюдения Черенковского угла необходимо само наличие кремниевой призмы для ввода терагерцового излучения в пластину, угол среза которой определяется длиной волны оптического импульса и дисперсией кристалла LiNbO3. В связи с этим использование призмы в расширенном диапазоне длин волн оптического импульса уменьшает чувствительность детектора терагерцового излучения на основе прототипа.
Технический результат предлагаемого изобретения - разработка оптимального рабочего узла детектора импульсного терагерцового излучения, работающего в расширенном диапазоне длин волн лазерных источников оптических импульсов и функционирующего на основе эффекта Поккельса при обеспечении условий Черенковского синхронизма, в результате повышения технологичности изготовления и настройки указанного узла за счет исключения из его конструкции кремниевой призмы для ввода терагерцового излучения под Черенковским углом и осуществления прямого облучения входной поверхности пластины терагерцовым излучением, распространяющимся в пластине под Черенковским углом к направлению распространения оптического импульса при условии изготовления пластины из кристалла с предлагаемыми изотропными показателями преломления в оптическом и терагерцовом диапазоне частот, относящегося к группе кристаллов типа цинковой обманки, и предлагаемой ориентацией кристаллографических осей кристалла по отношению к геометрии пластины и направлениям вектора поляризации терагерцового излучения и вектора поляризации оптического импульса.
Предлагаемый рабочий узел детектора импульсного терагерцового излучения, кроме того, расширяет арсенал приборных средств в области актуальной терагерцовой технологии.
Для достижения указанного технического результата в рабочем узле детектора импульсного терагерцового излучения, выполненном на основе пластины, изготовленной из электрооптического кристалла с его ориентацией по отношению к направлениям распространения терагерцового излучения и оптического фемтосекундного импульса, обеспечивающим детектирование терагерцового излучения путем изменения направления вектора поляризации оптического фемтосекундного импульса под действием электрического поля терагерцовой волны за счет эффекта Поккельса при обеспечении условий Черенковского синхронизма, задающего взаимное соответствие скоростных и пространственных характеристик терагерцового излучения и указанного оптического импульса, пластина изготовлена из кристалла с изотропными показателями преломления в оптическом и терагерцовом диапазоне частот, относящегося к группе кристаллов типа цинковой обманки, с величиной углов преломления оптического и терагерцового излучений, достаточных для обеспечения внутри пластины Черенковского угла между направлениями их распространения в условиях прямого облучения входной поверхности пластины терагерцовым излучением, причем она изготовлена с расположением ее поперечной плоскости среза перпендикулярно к кристаллографической оси [110] указанного кристалла и имеет кристаллографическую ось , которая параллельна вектору поляризации терагерцового излучения, и кристаллографическую ось [001] или , которая параллельна вектору поляризации оптического импульса.
В частном случае пластина предлагаемого рабочего узла сориентирована своей входной поверхностью нормально к направлению распространения терагецового излучения, изготовлена из арсенида галлия и при ее облучении оптическим фемтосекундным импульсом с центральной длиной волны 1,55 мкм и углом падения этого оптического импульса на пластину в пределах интервала 42-50° равна 13 мм.
Известное использование арсенида галлия в качестве материала пластины рабочего узла детектора импульсного терагерцового излучения (см. схему на фиг. 3 в статье на англ. яз. Nagai М. et al. «Generation and detection of terahertz radiation by electro-optical process in GaAs using 1.56 mm fiber laser pulses» - APPLIED PHYSICS LETTERS. 2004, vol. 85, no. 18, p. 3974-3976) не противоречит наличию у предлагаемого рабочего узла изобретательского уровня, т.к. является осуществлением коллинеарного метода без востребования в нем оптических свойств пластины из арсенида галлия, обеспечивающих в предлагаемом способе осуществление условий Черенковского синхронизма без призмы ввода терагерцового излучения, присутствующей в известных неколлинеарных методах.
Основным недостатком коллинеарного метода являются ограничения по толщине кристалла арсенида галлия, приводящие к ее нетехнологичному уменьшению (например, менее 1 мм при детектировании терагерцового излучения с частотой, большей 1,5 ТГц) при детектировании в расширенном диапазоне длин волн оптических импульсов. При этом малая толщина пластины приводит к уменьшению электрооптического отклика (уменьшению чувствительности детектора терагерцового излучения) и сокращению временного окна между основным импульсом и отражением от выходной границы кристалла, что в свою очередь ограничивает спектральное разрешение детектора импульсного терагерцового излучения. Кроме того, запись временной формы вместе с переотражением ведет к искажению спектра терагерцового импульса - появлению артефактов.
Изобретательский уровень предлагаемого рабочего узла заключается в использовании для детектирования на основе эффекта Поккельса в условиях Черенковского синхронизма пластины, изготовленной из кристалла с изотропными показателями преломления в оптическом и терагерцовом диапазоне частот, относящегося к группе кристаллов типа цинковой обманки, с новым использованием их оптических свойств, заключающихся в способности обеспечить Черенковский угол между направлениями распространения оптического и терагерцового излучений в пластине, благодаря достаточности их углов преломления, в условиях прямого облучения входной поверхности пластины терагерцовым излучением с предлагаемой ориентацией кристаллографических осей кристалла по отношению к геометрии пластины и направлениям вектора поляризации терагерцового излучения и вектора поляризации оптического импульса (при известном осуществлении Черенковского синхронизма - с кремниевой призмой для ввода терагерцового излучения под Черенковским углом), в результате чего обеспечивается новое качество - повышение технологичности изготовления и настройки указанного узла за счет исключения из его конструкции кремниевой призмы для ввода терагерцового излучения в условиях Черенковского синхронизма.
В известных тезисах авторов Шугурова А.И., Машковича Е.А. и Бакунова М.И. «Неколлинеарное детектирование терагерцовых импульсов в кристалле GaAs» - Труды восемнадцатой научной конференции по радиофизике, Нижний Новгород, Нижегородский госуниверситет, 12-16 мая 2014 г., секция «Общая физика», с. 169-170, экспериментально подтверждающих обеспечение детектирования на основе эффекта Поккельса при обеспечении условий Черенковского синхронизма (неколлинеарным методом) с помощью пластины, изготовленной из арсенида галлия, не раскрыта сущность предлагаемого изобретения в соответствии с изложенным в настоящем описании изобретения техническим результатом.
На фиг. 1 представлен пример пластины предлагаемого рабочего узла детектора импульсного терагерцвого излучения; на фиг. 2а - схема функционирования предлагаемого рабочего узла; на фиг. 2б - пример схемы детектора на основе заявляемого рабочего узла; на фиг. 3 - зависимость угла падения α оптического импульса на пластину, выполненную из ZnTe (I), GaP (II), InP (III) и GaAs (IV), при котором выполняются условия Черенковского синхронизма, от длины волны λ оптического импульса, иллюстрирующая работоспособность предлагаемого рабочего узла в широкой группе электрооптических кристаллов типа цинковой обманки; на фиг. 4 - экспериментальный спектр терагерцового излучения с пластиной рабочего узла, изготовленной из кристалла GaAs толщиной 13 мм и углом падения оптического импульса на кристалл α, равным 50°.
Предлагаемый рабочий узел детектора импульсного терагерцового излучения выполнен из пластины 1 (см. фиг. 1), изготовленной из электрооптического кристалла с изотропным показателем преломления в оптическом и терагерцовом диапазоне частот с указанной на фиг. 1 ориентацией кристаллографической оси [110], перпендикулярной к поперечной плоскости среза пластины 1. Грани ABCD и A1B1C1D1 оптически полированы. Форма пластины может быть изменена - не влияет на достижение указанных технических результатов.
Пластина 1 может быть изготовлена из кристалла арсенида галлия с толщиной 13 мм, причем входная поверхность пластины ортогональна направлению распространения терагерцового излучения с вектором поляризации, параллельным кристаллографической оси , и облучение пластины 1 оптическим фемтосекундным импульсом с вектором поляризации, параллельным кристаллографической оси [001] или , происходит на центральной длине волны 1,55 мкм и углом падения α оптического импульса на пластину в пределах интервала 42-50° (см. фиг. 2а), соответствующим углу преломления ~12°, что обеспечивает выполнение Черенковского синхронизма.
Данная схема функционирования обеспечивает при работе предлагаемого рабочего узла детектора импульсного терагерцового излучения выполнение условий Черенковского синхронизма между оптическим импульсом и терагерцовой волной на частоте в пределах диапазона 0,1-2 ТГц. Возможная схема детектора показана на фиг. 2б.
Предлагаемый рабочий узел детектора импульсного терагерцового излучения работает следующим образом.
Линейно поляризованный терагецовый пучок фокусируется на пластину 1 нормально к ее поверхности. Линейно поляризованный оптический пучок фокусируется на пластину 1 под углом α (см. фиг. 2а) в место падения терагерцового пучка. Преломленный оптический пучок распространяется в пластине под углом γ (под Черенковским углом) к терагерцовому пучку. Ввиду указанной ориентации кристаллографических осей и геометрии распространения пучков после прохождения пластины 1 меняется направление вектора поляризации оптического пучка. Данные изменения поляризации фиксируются с помощью схемы детектора, состоящей из четвертьволновой пластины 2, призмы Волластона 3 и балансного фотоприемника 4 (см. фиг. 2б).
Кроме того, для получения наибольшего электрооптического отклика оптический пучок должен быть сфокусирован в пятно с диаметром, меньшим 
(с - скорость света в вакууме, FТГц - наивысшая частота в спектре терагерцового импульса и nТГц - показатель преломления пластины в терагерцовом диапазоне частот), и длительность оптического импульса после прохождения пластины 1 не может превышать 1/FТГц (см. статью на англ. яз. авторов Mashkovich Е.А., Shugurov A.I., Ozawa S., Estacio E., Tani M. and Bakunov M.I. «Noncollinear Electro-Optic Sampling of Terahertz Waves in a Thick GaAs Crystal», указанную выше).
Подтверждением повышенной технологичности изготовления и настройки предлагаемого рабочего узла без кремниевой призмы для ввода терагерцового излучения под Черенковским углом в условиях Черенковского синхронизма являются примеры осуществления детектирования при различных Черенковских углах (в широкой группе электрооптических кристаллов типа цинковой обманки) в расширенном интервале длин волн оптического импульса, основанные на следующей теоретической оценке и экспериментальной проверке.
На фиг. 3 показана зависимость угла падения α, при котором выполнены условия Черенковского синхронизма, от длины волны оптического импульса λ для четырех кристаллов ZnTe (кривая I), GaP (кривая II), InP (кривая III) и GaAs (кривая IV), типа цинковой обманки, определяемая формулой 1 (см. формулу 2 в указанной выше статье):
где n(λ) - показатель преломления на длине волны λ и ng(λ) - групповой оптический индекс преломления на длине волны λ.
Из зависимости видно, что предлагаемый рабочий узел детектора импульсного терагерцового излучения в соответствии с неколлинеарным методом может использоваться в расширенном диапазоне длин волн оптических импульсов в отличие от коллинеарного метода.
Для подтверждения работоспособности предлагаемого рабочего узла детектора импульсного терагерцового излучения был проведена следующая экспериментальная проверка. Линейно поляризованный оптический импульс от волоконного Er3+ лазера с центральной длиной волны 1550 нм (данный источник отличается компактностью и относительной дешевизной) и длительностью 70 фс фокусировался на пластину 1, выполненную из кристалла GaAs толщиной 13 мм. Данная толщина пластины выбрана как соответствующая минимальной из длин: длины когерентности, длины затухания терагерцового излучения, длины расхождения оптического импульса и терагерцового излучения в пластине и дисперсионной длины. Угол падения оптического импульса на пластину α был равен 50° (см. фиг. 2а). В место падения оптического импульса нормально к пластине подводилось импульсное терагерцовое излучение. Векторы поляризации оптического импульса и терагерцового излучения параллельны кристаллографической оси кристалла. Изменение направления вектора поляризации фиксировалось с помощью схемы детектора, состоящей из четвертьволновой пластины 2, призмы Волластона 3 и балансного фотоприемника 4 (см. фиг. 2б). Работоспособность предлагаемого узла детектирования подтверждает экспериментальный спектр терагерцового излучения, построенный на фиг. 4.
Таким образом, предлагаемый рабочий узел характеризуется повышенной технологичностью его изготовления и настройки, а также эффективным функционированием в составе детектора импульсного терагерцового излучения в расширенном диапазоне длин волн лазерных источников оптических импульсов.
1. Рабочий узел детектора импульсного терагерцового излучения, выполненный на основе пластины, изготовленной из электрооптического кристалла с его ориентацией по отношению к направлениям распространения терагерцового излучения и оптического фемтосекундного импульса, обеспечивающим детектирование терагерцового излучения путем изменения направления вектора поляризации оптического фемтосекундного импульса под действием электрического поля терагерцовой волны за счет эффекта Поккельса при обеспечении условий Черенковского синхронизма, задающего взаимное соответствие скоростных и пространственных характеристик терагерцового излучения и указанного оптического импульса, отличающийся тем, что пластина изготовлена из кристалла с изотропными показателями преломления в оптическом и терагерцовом диапазоне частот, относящегося к группе кристаллов типа цинковой обманки, с величиной углов преломления оптического и терагерцового излучений, достаточных для обеспечения внутри пластины Черенковского угла между направлениями их распространения в условиях прямого облучения входной поверхности пластины терагерцовым излучением, причем она изготовлена с расположением ее поперечной плоскости среза перпендикулярно к кристаллографической оси [110] указанного кристалла и имеет кристаллографическую ось 
, которая параллельна вектору поляризации терагерцового излучения, и кристаллографическую ось [001] или 
, которая параллельна вектору поляризации оптического импульса.
2. Рабочий узел по п. 1, отличающийся тем, что пластина сориентирована своей входной поверхностью нормально к направлению распространения терагецового излучения.
3. Рабочий узел по п. 1, отличающийся тем, что пластина изготовлена из арсенида галлия.
4. Рабочий узел по п. 3, отличающийся тем, что при облучении пластины оптическим фемтосекундным импульсом с центральной длиной волны 1,55 мкм и углом падения этого оптического импульса на пластину в пределах интервала 42-50° толщина пластины равна 13 мм.
