Способ генерации непрерывного широкополосного инфракрасного излучения с регулируемым спектром

Изобретение относится к области оптики и касается способа генерации непрерывного широкополосного инфракрасного излучения с регулируемым спектром. Способ включает в себя нагрев металлического тела, содержащего две смежные плоские грани, генерацию оптическими фононами тела на одной из граней широкополосных поверхностных плазмон-поляритонов (ППП), дифракцию ППП на ребре, сопрягающем грани, и преобразование ППП в результате дифракции в объемное излучение. Регулирование амплитудно-частотного спектра излучения осуществляют путем изменения температуры тела и размера части направляющей ППП грани, наблюдаемой с ребра в перпендикулярном к нему направлении. Технический результат заключается в обеспечении возможности оперативного управления амплитудно-частотным спектром ансамбля гармонических компонент генерируемого ИК излучения. 3 ил.

 

Изобретение относится к оптике инфракрасного (ИК) и терагерцового (ТГц) диапазонов и может найти применение в установках, содержащих широкополосные источники ИК или ТГц-излучения (нагретое тело, синхротрон, импульсный лазер), в плазмонной и фурье-спектроскопии проводящей поверхности и тонких слоев на ней, при разработке тепловых источников ИК и ТГц излучения с регулируемым спектром.

Наиболее распространенными способами генерации непрерывного широкополосного ИК и ТГц излучения являются нагрев тугоплавких тел (вольфрамовая спираль, штифт Нернста, глобар) до 1000-2000°C или поддержание электрического разряда (тлеющего или дугового) в вакууме или газе (газоразрядные лампы, ртутная кварцевая лампа высокого давления) [1]. Регулирование спектра излучения в перечисленных способах осуществляют либо температурой излучающего тела, либо напряженностью электрического поля, либо селективными по частоте оптическими фильтрами. Основными недостатками названных тепловых и разрядных способов генерации являются малый коэффициент полезного действия, низкая интенсивность длинноволновой (терагерцовой) части спектра излучения и необходимость использования специальных фильтров для регулирования спектра генерируемого излучения.

Альтернативный способ генерации непрерывного широкополосного ИК и ТГц излучения может быть разработан на основе менее известного явления порождения фононами кристаллической решетки твердого тела поверхностных плазмон-поляритонов - разновидности неизлучающих p-поляризованных поверхностных электромагнитных волн [2, 3]. Нарушение трансляционной симметрии поверхности тела приводит к преобразованию ТППП в объемное излучение, которое наблюдалось как с использованием призм нарушенного полного внутреннего отражения [2, 3], так и при дифракции ТППП на ребре плоскогранного металлического тела [4, 5].

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности является способ пассивной локализации ребер прямоугольного металлического параллелепипеда в ИК излучении, включающий нагрев параллелепипеда, генерацию оптическими фононами материала параллелепипеда на одной из граней широкополосных поверхностных плазмон-поляритонов (ППП), дифракцию ППП на ребре, сопрягающем грани, и преобразование ППП в результате дифракции в объемное излучение [6]. Основным недостатком известного способа является невозможность оперативного управления амплитудно-частотным спектром генерируемого излучения.

Технический результат изобретения направлен на обеспечение возможности оперативного управления амплитудно-частотным спектром ансамбля гармонических компонент генерируемого ИК излучения.

Технический результат достигается тем, что в способе генерации непрерывного широкополосного ИК излучения с регулируемым спектром, включающем нагрев металлического тела, содержащего две смежные плоские грани, генерацию оптическими фононами тела на одной из граней широкополосных поверхностных плазмон-поляритонов (ППП), дифракцию ППП на ребре, сопрягающем грани, и преобразование ППП в результате дифракции в объемное излучение, регулирование амплитудно-частотного спектра излучения осуществляют путем изменения температуры тела и размера наблюдаемой с ребра части его грани, направляющей ППП в перпендикулярном к ребру направлении.

Оперативность управления амплитудно-частотным спектром генерируемого излучения достигается путем изменения температуры тела (спектр ТППП подчиняется закону Вина, но с иной константой [7]) и (или) размера наблюдаемой с ребра части грани, на которой порождаются ТППП и которая направляет их вдоль нормали к ребру, где ТППП дифрагируют и трансформируются в искомое широкополосное линейно поляризованное узконаправленное объемное излучение [8]. Зависимость спектра ТППП на ребре тела от размера наблюдаемой части его грани объясняется фактом экспоненциального затухания интенсивности полей ансамбля ТППП вследствие джоулевых потерь по мере распространения ТППП от точки их порождения к точке наблюдения (в частности, к точке ребра, лежащей на нормали, опущенной из точки порождения на ребро). Вследствие затухания, спектр ТППП, поступающих в данную точку ребра из определенной точки грани, зависит не только от характеристик материала тела (главным образом, от его плазменной частоты ω_p) и его температуры, но и от расстояния, разделяющего эти точки, поскольку затухание ППП пропорционально квадрату их частоты [7]. Следовательно, результирующая интенсивность ТППП с некоторой частотой, поступающих в данную точку ребра от всех точек, лежащих на нормали к ребру, будет определяться размером грани в направлении нормали. Поэтому изменение (тем или иным образом) размера наблюдаемой части грани будет приводить к изменению распределения интенсивности составляющих испускаемого с ребра широкополосного линейно поляризованного излучения: чем протяженнее наблюдаемая части грани, тем интенсивнее длинноволновая часть спектра излучения, и тем менее интенсивна его коротковолновая часть.

Обоснуем последнее утверждение аналитическими выкладками и численным примером. Для этого получим формулу, позволяющую рассчитать спектр ТППП, генерируемых линейкой излучателей с характерным размером r каждый. В [7] приведена формула для расчета спектральной плотности мощности u_ω ТППП, генерируемых на площадке с характерным размером λ_max<<r<<L_min (здесь λ_max - максимальная длина волны рабочего диапазона; L_min - длина распространения ППП с наибольшей частотой ω_max; L_ω=[2⋅Im(k_ППП)]^-1 - длина распространения ППП с частотой ω; k_ППП - волновое число ППП):

где с - скорость света в вакууме; ω_p - плазменная частота металла; β=1/(k_BT), k_B - постоянная Больцмана, T - температура образца. Тогда, принимая во внимание экспоненциальное затухание ППП при их распространении на расстояние x, интегральную спектральную плотность мощности ТППП u_ω(l) на крае линейки длиной l в интервале частот от ω₁ до ω₂ можно рассчитать по формуле:

Если ТППП-излучатель представляет собой не линейку, а матрицу примыкающих друг к другу элементарных излучателей, локализованных на плоской грани (размером 2a×l) металлического образца (Фиг. 2), то следует учесть факт, что генерируемые фононами ТППП распространяются от точки их порождения на поверхности тела в любом направлении (а не только перпендикулярно ребру); поэтому в данную точку ребра грани поступают ТППП, порожденные во всех ее точках. Тогда интегральную спектральную плотность мощности излучения u_ω (l) ТППП с частотами от ω₁ до ω₂ в центре ребра грани полосового излучателя размером 2a×l можно рассчитать по формуле:

где , , ,

Изобретение поясняется чертежами: на Фиг. 1 представлена схема устройства, реализующего заявляемый способ; на Фиг. 2 схема половины плоской прямоугольной грани (размером 2a×l) металлического образца (ТППП-излучателя); на Фиг. 3 приведены расчетные графики интегральной спектральной плотности мощности ТППП u_ω(l) в центре ребра (размером 2a=10 мм) прямоугольной грани нагретого до 400°C золотого образца длиной l=600 мм, размещенного в вакууме, в интервале частот от 1 до 20 ТГц.

Предлагаемый способ может быть реализован с использованием устройства, схема которого приведена на Фиг. 1 (вид сбоку), где цифрами обозначены: 1 - регулируемый нагреватель; 2 - полосовой плоскогранный металлический образец толщиной больше скин-слоя в данном металле; 3 - ребро образца 2; 4 - перемещаемый вдоль свободной поверхности образца 2 поглощающий экран.

Способ реализуется следующим образом. Сообщают нагревателю 1 желаемую температуру. Приводят образец 2 в тепловой контакт с нагревателем 1 и достигают их теплового равновесия. Оптические фононы образца 2 генерируют широкополосные ТППП в скин-слое его свободной поверхности. Порожденные таким образом ТППП распространяются по всем направлениям от данной точки поверхности; однако, в силу линейной формы образца 2, аккумулирование полей имеет место только для ТППП, распространяющихся вдоль его продольной оси. Распространение ансамбля ТППП по образцу 2 сопровождается экспоненциальным затуханием гармонических компонент пучка ТППП, причем коэффициент затухания каждой из них пропорционален квадрату частоты данной компоненты. Поэтому, по мере распространения пучка спектр ТППП искажается (по сравнению со спектром ТППП, порождаемых на каждой элементарной площадке поверхности образца 2) таким образом, что в большей степени гасятся его высокочастотные составляющие. Следовательно, регистрируемый на ребре 3 интегральный спектр ТППП определяется не только свойствами и температурой металла, но и размером части поверхности, открытой для наблюдения с ребра 3. Если над поверхностью образца 2 разместить прилегающий к ней мобильный поглощающий экран 4, то его перемещением можно изменять размер наблюдаемой с ребра 3 части поверхности образца 2 и, таким образом, - управлять спектром ансамбля ТППП на ребре 3. Поступающие на ребро 3 ТППП дифрагируют на нем и трансформируются в искомый пучок узконаправленного объемного широкополосного линейно поляризованного излучения (ОИ), спектр которого идентичен спектру ТППП на ребре 3 [8].

В качестве примера применения заявляемого способа рассмотрим работу устройство, схема которого приведена на Фиг. 1 и которое содержит полосковый образец 2 (длиной 600 мм и шириной 10 мм) с нанесенным на его свободную поверхность непрозрачным слоем золота (ω_p=72800 см^-1), нагреватель 1 и мобильный поглощающий экран 4 высотой больше глубины проникновения поля ППП в вакуум на минимальной частоте рабочего диапазона. Поднимем нагревателем 1 температуру образца 2 до, например, 400 K. В каждой точке свободной поверхности образца фононы слоя золота породят широкополосный ансамбль ТППП, которые, экспоненциально затухая распространяются по образцу и достигают его края, аккумулируя таким образом энергию ТППП, распространяющихся по направлению к ребру 3. Спектр этого ансамбля будет зависеть от расстояния между экраном 4 и ребром 3. На Фиг. 3 приведены рассчитанные по формуле (3) спектры ТППП (в диапазоне от 1 ТГц до 20 ТГц, что соответствует длине волны от 300 мкм до 15 мкм) на ребре 3 при различном расстоянии l от него до экрана 4: кривая 1 - при l=0.4 м; 2 - l=0.5 м; 3 - l=0.6 м. Видно, что чем протяженнее открытая для наблюдения с ребра 3 часть свободной поверхности образца 2, тем больше интенсивность ТППП, и тем при меньшей частоте достигается максимальная интенсивность (отмечена черными кружками на кривых 1, 2, 3): u_ω(l=0.4 м)≈0.4⋅10^-26 (Дж⋅с)/м при ω=11.7 ТГц; u_ω(l=0.5 м)≈0.6-10^-26 (Дж⋅с)/м при ω=11.4 ТГц; u_ω(l=0.6 м)≈0.85⋅10^-26 (Дж⋅с)/м при ω=11.1 ТГц.

Отметим, что в соответствии с формулой (1), повышение температуры образца приводит к повышению интегральной спектральной плотности мощности u_ω ТППП на ребре образца и смещению максимума кривой u_ω(l) в сторону бóльших частот (см. Фиг. 3 в работе [7]).

Таким образом, рассмотренный пример наглядно демонстрирует возможность генерировать заявляемым способом непрерывное широкополосное линейно поляризованное инфракрасное излучение с регулируемым спектром и узкой диаграммой направленности.

Источники информации:

[1] Криксунов Л.З. Справочник по основам инфракрасной техники // М.: Сов. Радио, 1978. - 400 с.

[2] Виноградов Е.А., Жижин Г.Н., Мальшуков А.Г. Термостимулированное излучение поверхностных поляритонов // ЖЭТФ, 1977, т.73 (4), с.1480-1485.

[3] Виноградов Е.А., Дорофеев И.А. Термостимулированные электромагнитные поля твердых тел // М.: Физматлит, 2010. - 484 с.

[4] Минаков Д.А., Селиванов В.Н., Зон В.Б., Латышев А.Н., Овчинников О.В. Тепловое излучение при срыве поверхностной волны вблизи края медной пластины // Конденсированные среды и межфазные переходы, 2006, т.8, №6, с. 131-136.

[5] Зон В.Б., Зон В.А., Клюев В.Г., Латышев А.Н., Минаков Д.А., Овчинников О.В. Визуальное наблюдение конверсии тепловых поверхностных плазмон-поляритонов в фотоны // УФН, 2011, т. 181, №3, с. 305-306.

[6] Князев Б.А., Никитин А.К., Жижин Г.Н. Способ пассивной локализации ребер прямоугольного металлического параллелепипеда в инфракрасном излучении // Патент РФ на изобретение №2522775, Бюл. №20 от 20.07.2014 г. (прототип)

[7] Хасанов И.Ш., Никитин А.К., Та Тху Чанг. Сравнение спектров абсолютно черного тела и термостимулированных поверхностных плазмон-поляритонов в инфракрасном диапазоне // Физика твердого тела, 2016, т. 56, вып. 6, с. 1225-1229.

[8] Gerasimov V.V., Knyazev В.А., 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 interface and decoupling to free waves at the surface tail end // Journal of the Optical Society of America (B), 2013, v.30, Is.8, p.2182-2190.

Способ генерации непрерывного широкополосного инфракрасного излучения с регулируемым спектром, включающий нагрев металлического тела, содержащего две смежные плоские грани, генерацию оптическими фононами тела на одной из граней широкополосных поверхностных плазмон-поляритонов (ППП), дифракцию ППП на ребре, сопрягающем грани, и преобразование ППП в результате дифракции в объемное излучение, отличающийся тем, что регулирование амплитудно-частотного спектра излучения осуществляют путем изменения температуры тела и размера части направляющей ППП грани, наблюдаемой с ребра в перпендикулярном к нему направлении.