Разработка методов юстировки микрооптической системы для генерации импульсов субмиллиметрового электромагнитного излучения Текст научной статьи по специальности «Физика»

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ЮСТИРОВКИ МИКРООПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ ИМПУЛЬСОВ СУБМИЛЛИМЕТРОВОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Виктор Павлович Корольков

Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, г. Новосибирск, проспект акад. Коптюга, 1, старший научный сотрудник лаборатории дифракционной оптики, тел. (383)3333-091, e-mail: [email protected]

Александр Сергеевич Конченко

Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, г. Новосибирск, проспект акад. Коптюга, 1, инженер лаборатории дифракционной оптики, тел. (383)3333-091, e-mail: [email protected], Новосибирский государственный университет, 630090, г. Новосибирск, ул. Пирогова, 2, магистрант кафедры квантовой оптики

Назар Александрович Николаев

Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090 г. Новосибирск, просп. академика Коптюга 1, младший научный сотрудник лаборатории информационной оптики, тел. (383) 330-8453 , e-mail: [email protected]

Александр Анатольевич Мамрашев

Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090 г. Новосибирск, просп. академика Коптюга 1, инженер-программист лаборатории информационной оптики, тел. (383) 330-8453, e-mail: [email protected]

В статье описан метод юстировки микрооптической системы, предназначенной для увеличения эффективности генерации импульсов субмиллиметрового излучения. Увеличение эффективности достигается за счет оптимального использования фемтосекундного лазерного излучения при генерации излучения на основе эффекта Дембера.

Ключевые слова: субмиллиметровое импульсное электромагнитеное излучение, микрооптика.

DEVELOPMENT OF METHODS OF ADJUSTMENT OF MICROOPTICAL SYSTEM FOR GENERATION OF SUBMILLIMETER ELECTROMAGNETIC PULSES

Victor P. Korolkov

Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 630090, Novosibirsk, Koptyuga avenue 1, senior researcher of laboratory of diffractive optics, phone +7(383)3333-091, e-mail: [email protected]

Alexander S. Konchenko

Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 630090, Novosibirsk, Koptyuga avenue 1, laboratory of diffractive optics engineer, phone +7(383)3333-091, e-mail: [email protected], Novosibirsk state university, 630090, Novosibirsk, Pirogova str., 2, undergraduate of quantum physics department

Nazar A. Nikolaev

Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 630090, Novosibirsk, Koptyuga avenue 1, laboratory of informational optics junior researcher, phone +7(383) 330-845, e-mail: [email protected]

Aleksander A. Mamrashev

Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 630090, Novosibirsk, Koptyuga avenue 1, laboratory of informational optics engineer-programmer, phone +7(383) 330-845, e-mail: [email protected]

Paper describes a method of alignment of microoptical system intended for generation of submillimeter electromagnetic irradiation pulses. The microoptical system is designed to increase generation efficiency for account of optimal usage of femtosecond laser irradiation at generation on the base of Dember effect.

Key words: submillimeter pulsed electromagnetic radiation, microptics, adjustment method.

На сегодняшний день генерация субмиллиметрового излучения является важной задачей для спектроскопии и прикладных задач. В этой области спектра лежит множество колебательных и вращательных уровней молекул, что открывает дополнительные возможности по идентификации и анализу состава и структуры молекул. Такое излучение более длинноволновое чем инфракрасное, имеет более высокую проникающую способность и позволяет использовать его для бесконтактного контроля и поиска взрывчатых веществ.

Отдельной задачей является генерация импульсного субмиллиметрового излучения. Установки по генерации импульсного излучения сложны в исполнении и имеют высокую стоимость, но, в отличие от непрерывного излучения, импульсный режим позволяет собирать информацию о глубине и показателе преломления объекта. К тому же, в импульсном режиме малая частота излучения позволяет проводить временной анализ излучения. Кроме амплитуды сигнала, также может быть зафиксирована фаза волны. Такие измерения позволяют напрямую измерять сдвиг фаз, вносимый объектом исследований.

Многие из методов генерации импульсного субмиллиметрового излучения основаны на фотогальваническом эффекте Дембера. Суть эффекта заключается в том, что при поглощении возбуждающего излучения на поверхности полупроводника возникают носители заряда, которые диффундируют вглубь полупроводника. Подвижность электронов, как правило, больше, чем дырок и они быстрее и глубже проникают в материал. В результате в приповерхностном слое возникает кратковременное разделение зарядов, генерирующее импульс субмиллиметрового излучения. В классическом эффекте Дембера колебания концентрации носителей заряда направлены вглубь полупроводника, а максимум интенсивности излучения направлен вдоль поверхности, что значительно снижает эффективность излучения за счет поглощения внутри полупроводника. Для того, чтобы повысить эффективность генерации, можно «развернуть» получившиеся диполи вдоль поверхности, тогда максимум интенсивности излучения будет направлен перпендикулярно поверхности.

Существует несколько способов развернуть диполи[1]. Один из них заключается в том, что если нанести на поверхность полупроводника непрозрачное металлическое покрытие с резкой границей, то на границе электроны быстрее дырок диффундируют под покрытие и возникает разделение заряда вдоль поверхности. При нанесении набора линейных полос непрозрачного покрытия излучение генерируется на каждой из границ, и эффективность должна резко повышаться, но излучение от двух противоположных границ одной полосы в дальней зоне интерферирует деструктивно.

Одно из решений проблемы деструктивной интерференции заключается в том, чтобы использовать для генерации только одну границу полосы. Например, применялось покрытие в виде металлической линейной решетки с ассиметричным профилем штрихов [2]. Но в такой постановке эксперимента есть очевидный недостаток - высокие потери возбуждающего фемтосекундного излучения на поглощение и отражение металлической решеткой. В настоящей работе обсужден способ настройки оптической схемы для генерации субмиллиметрового излучения, позволяющей повысить эффективность использования возбуждающего фемтосекундного лазерного излучения (ФЛИ). В данном методе ФЛИ фокусируется растром цилиндрических микролинз на края зон линейной бинарной амплитудной решетки, сформированной на поверхности полупроводника. Таким образом, генерация субмиллиметрового излучения происходит только с одной стороны металлических полос при существенно более низких потерях энергии ФЛИ.

Для реализации предложенного метода была изготовлен растр цилиндрических микролинз с периодом 10 и 15 мкм и фокусом 20 мкм и 30 мкм и линейная решетка из непрозрачных полосок золота с таким же периодом на поверхности пластин InSb(Ge) и InAs. Для совмещения сфокусированных пучков с краями линейной решетки была создана установка совмещения, где на время настройки пучок фемтосекундного импульсного лазера с длиной волны 1.55 мкм был заменен на полупроводниковый лазер с длиной волны 632 нм.

Для контроля совмещения по визуальному изображению использовался эффект Муара. По ширине и ориентации муаровых полос можно судить о степени параллельности решетки микролинз и амплитудной золотой решетки (рис.1). При идеально совмещенных решетках ширина полос Муара стремится к бесконечности, а их направление совпадает с ориентацией совмещаемых решеток. Таким образом, поворачивая решетку и добившись максимально возможной ширины полос, мы считаем образцы совмещенными по направлению (рис. 2).

О попадании поверхности полупроводника в фокус микролинз также можно судить по поведению полос Муара. Чем меньше ширина распределения интенсивности света на поверхности полупроводника, тем полосы более контрастные.

Для того, чтобы получить количественное подтверждение качества настройки системы, после визуального наблюдения проводились измерения интенсивности отраженного от решеток света. При идеально сфокусированной и совмещенной системе график зависимости интенсивности отраженного света

от сдвига решеток должен представлять собой меандр. Максимальное значение интенсивности должно соответствовать попаданию сфокусированного пятна на золотое покрытие, а минимальное - на поверхность полупроводника.

Рис. 1. Полосы Муара при плохом Рис. 2. Широкая полоса Муара при совмещении ориентации образцов сонаправленных решетках

Экспериментально полученный график для решетки 15 мкм представлен на рис. 3. Участки постоянной интенсивности свидетельствуют о том, что ширина пятна на поверхности образца была меньше ширины полосы металлического покрытия. Для определения точного размера пятна мы воспользовались методом ножа Фуко. Усредненная ширина пятна по уровню е-составила 3 мкм.

Рис. 3. График зависимости интенсивности отраженного от образца светового пучка от координаты взаимного сдвига решеток

После юстировки микрооптческой системы фемтосекундный лазерный пучок заводился по нормали к поверхности микролинзового растра. Сбор субмиллиметрового импульсного излучения производился в обратном направлении. Для коллимации субмиллиметрового (и фокусировки ФЛИ) было установлено внеосевое поворотное градусное параболическое зеркало. После фильтрации от излучения накачки субмиллиметровое излучение фокусируется таким же зеркалом на детектор. Грубая установка внеосевых параболических зеркал осуществляется по шаблону, при этом область излучения на генераторе помещается в фокус зеркала. Для точной настройки используется матовая бумага, помещенная максимально близко к фокусу и рассеивающая обратно отраженное излучения лазера накачки, которое фокусируется вторым зеркалом на детектор и должно симметрично сходиться визуально из круглого пятна в точку. Окончательная юстировка системы производится по максимум сигналу с детектора субмиллиметрового излучения.

Заключение. Разработана методика юстировки микрооптической системы для генерации субмиллиметрового излучения путем фокусировки фемтосекундного лазерного излучения растром цилиндрических микролинз на границы штрихов непрозрачной линейной решеткой из золота на поверхности полупроводника. Разработана методика юстировки оптической системы транспортировки фемтосекундного лазерного излучения к микрооптической системе и вывода субмиллиметровго электромагнитного излучения.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Царев М.В., Генерация и регистрация терагерцового излучения ультракороткими

лазерными импульсами: Учебное пособие. - Нижний Новгород: Нижегородский

госуниверситет, 2011. - 75 с.

2. G. Klattl, F. Hilser, W. Qiao, et al, Terahertz emission from lateral photo-Dember currents // OPTICS EXPRESS, 2G1G, Vol. 18, No. 5, 4939.

© В.П. Корольков, А.С. Конченко, Н.А. Николаев, А.А. Мамрашев, 2012