Диссертация (1025280), страница 20
Текст из файла (страница 20)
3.7. Насхеме изображена конструкция оснастки экспериментального комплекса, вкоторой излучение импульсного спектрометра вводится в волновод с использованием фокусирующей линзы. Пройдя волновод, излучение отражается отисследуемого объекта, расположенного на выходной грани волнвода позадиопорного окна. Пройдя волновод в обратном направлении, излучение коллимируется той же терагерцовой линзой и направляется на детектор. Предложенная схема требует незначительной корректировки конструкции экспериментального комплекса, связанной с изменением диапазонов сканирования115ветви механической задержки с учетом увеличившегося времени прохождения измерительной кюветы терагерцовым импульсом, а также с доработкоймеханических узлов крепления волновода относительно импульсного спектрометра.Практическая реализации предложенного подхода к доставке терагерцового излучения к объекту диагностики осложняется отсутствием гибкихили жестких терагерцовых волноводов, характеризующихся малой дисперсией и низкими потерями.
Работы, направленные на создание терагерцовыхволноводов ведутся рядом научных групп. Предпринимались попытки создания волноводов на основе полых металлических трубок [290], однако последние наряду с низкими потерями характеризуются чрезвычайно высокойЛ1( )12( )Ваваьаin vivo3( )2Рис. 3.7.
Схема измерения терагерцовых диэлектрических характеристик сильно поглощающих сред и биологическихтканей in vivo с использованием волновода для доставки терагерцового излучения к объекту исследования:ТГЦ СД ҫ терагерцовых светоделитель из высокорезистивного кремния (HRFZ-Si), ТГЦ Л ҫ терагерцовая линза из полиметилпентена (TPX), З1ҫЗ3 ҫ плоские золотыезеркала, ПЗ1 и ПЗ2 ҫ внеосевые параболические зеркала.Области (а), (б) и (в) иллюстрируют процесс регистрациисигналов Em , Er и Es116дисперсией. В работах [291ҫ295] показана возможность снижения дисперсиитерагерцового волновода путем нанесения на внутреннюю поверхность полой металлической трубки диэлектрического покрытия. Тем не менее подобное диэлектрическое покрытие существенно повышает потери терагерцовогоизучения.Другой тип терагерцовых волноводов использует плазмонные эффектывзаимодействия излучения с проводниками [296ҫ301].
Данные волноводы являются гибкими и удобными в производстве, но характеризуются сильнымипотерями на ввод и распространение терагерцового излучения. Гибкие полимерные терагерцовые волноводы, в том числе фотонно-кристаллические,изучались в работах [302ҫ315]. Фотонно-кристаллическая структура средыпозволяет управлять дисперсией среды за счет изменения параметров двумерного фотонного кристалла в поперечном сечении волновода, что позволяет использовать данный тип терагерцовых волноводов для бездисперсионнойпередачи коротких терагерцовых импульсов. Возможность сочетания плазмонных волноводов с полимерными фотонно-кристаллическими структурамиизучалась в работах [316ҫ319], однако полученные результаты не продемонстрировали перспективность данной технологии.Таким образом, ни металлические трубки или плазмонные волноводы,ни полимерные фотонно-кристаллические волноводы не позволяют передавать терагерцовое импульсное излучение на большие расстояния с малойдисперсией и приемлемыми потерями.
Основные проблемы связаны с (i) конечной проводимостью металлов и существенным поглощением полимерныхсред в области терагерцовых частот, (ii) значительной материальной и/илипространственной дисперсией перечисленных сред, а также (iii) отсутствиемтехнологии, позволяющей производить высококачественные волноводы.
Рекордно низкие потери в 5...10 дБ/м в сочетании с минимальной дисперсиейнаблюдались в полимерных фотонно-кристаллических волноводах. Однакодаже эти потери не позволяют применять полимерные волноводы для решения прикладных задач терагерцовой науки и техники, в том числе, задачитерагерцовой диэлектрической спектроскопии сильно поглощающих сред ибиологических тканей in vivo.Дальнейшее существенно снижение потерь в перечисленных типах терагерцовых волноводов принципиально невозможно, из-за конечной прово-117димости металлов или существенного поглощения терагерцового излучения вполимерных средах. Более того, большинство существующих технологий производства полимерных фотонно-кристаллических волноводов являются лабораторными, трудоемкими и не позволяют производить высококачественныеволноводные структуры, в то время как любые дефекты волновода являютсяпричиной дополнительных потерь на ввод/вывод и распространение, а такжеповышенной дисперсии [299,307,309,310,312,314,315,319].
Традиционные материалы, используемые для изготовления металлических и полимерных волноводов, являются нестойкими к термическим, химическим и радиационнымвоздействиям, что также ограничивает область их применения.Проблема минимизации дисперсии и потерь при передаче терагерцовогоимпульсного излучения остается актуальной. Перспективным при разработкеновых типов терагерцовых волноводов видится сочетание нескольких принципов:∙ использование фотонно-кристаллических сред, позволяющих управлять дисперсией волновода и минимизировать взаимодействия излучения с материальной средой;∙ использование новых технологичных материалов, характеризуемых одновременно низкими потерями в терагерцовой области спектра и устойчивостью к термическим, химическим и радиационным воздействиям;∙ использование современных быстрых и высокоточных методов изготовления волноводов.Для создания терагерцовых волноводов в диссертации предложенпринципиально новый подход, основанный на использовании многоканальных кристаллов сапфира, изготовленных по методу роста профилированныхкристаллов Степанова [320ҫ325].
Сочетания уникальных свойств сапфира(низкого поглощения терагерцового излучения [273, 326], высокой механической, термической, химической и радиационной стойкости [327ҫ329])с достоинствами метода Степанова (высокой скоростью роста, низкойстоимостью и высоким качеством структур) позволяет успешно решитьпроблему создания волноводов для терагерцового электромагнитного излучения [66, 78].118Численное моделирование распространения терагерцового излучения в волноводахДля выбора геометрии сечения сапфирового терагерцового фотоннокристаллического волновода проведена серия вычислительных экспериментов с использованием численного анализа волноводных мод [330], реализованного в пакете программ Lumerical Mode Solutions [331].Для задания частотной зависимости терагерцовых диэлектрических характеристик сапфира использовались данные работы [273].
Приняты допущения, что при распространении терагерцового излучения в сапфировом волноводе отсутствует эффект двулучепреломления, связанный с различием показателя преломления среды для обыкновенной и необыкновенной волн. Данноедопущение в полной мере справедливо для электромагнитных волн, распространяющихся в направлении c-оси сапфира, а соответственно, вдоль оптической оси волновода. Именно поэтому двулучепреломлением можно пренебречь для малых апертур ввода излучения в волновод, которым соответствуетминимальный размер радиальной компоненты волнового вектора. Как показано на Рис. 3.8, результаты симуляций распространения терагерцового излучения в волноводе с классической гексагональной фотонно-кристаллическойрешеткой в сечении предсказывают существование волноводных мод в широком спектральном диапазоне.Рис.
3.8 (а) показывает одновременно потери и дисперсию волноводных мод. Яркие голубые полосы, отмеченные латинскими буквами от A доK, соответствуют различным волноводным модам непрерывно покрывающимспектральную область от 0, 85 до 1, 55 ТГц и обеспечивающим минимальнуюдисперсию волновода. Более насыщенный синий цвет на графике соответствует меньшим потерям.
Малые потери наблюдаются для мод с B по K вспектральном диапазоне от 1, 0 до 1, 55 ТГц, при этом минимальный спектральный коэффициент экстинкции достигает 2, 0 дБ/м на частоте 1, 45 ТГц.Рис. 3.8 (б) показывает рассматриваемую геометрию сечения сапфировоговолновода, а Рис. 3.8 (в) ҫ распределение интенсивности мод поля с A по Kв сечении профилированного кристалла.Наблюдаемые волноводные моды являются парными (B&C, D&E,F &G, H&I, и J&K), что приводит к эффекту интерференции мод [332].Межмодовая интерференция негативно влияет на передачу терагерцового119B1 CAEGI1,0K0,80,996neff0,60,9920,40,9880,984α, Б/1,000ABCDEFGHI0,2B2 D0,91,0( )1,11,2FJH1,31,41,50,012,03,3y,ν, ТГц.52,0,8.1,00,6( )( )JI,0,4Kx,0,20,0Рис.
3.8. Моделирование распространения терагерцового излучения в сапфировом фотонно-кристаллическом волноводе:(а) ҫ зависимость коэффициента экстинкции терагерцового излучения по интенсивности α от эффективного индекса моды neff и частоты ν для различных мод с A по K;(б) ҫ геометрия сечения кристалла; (в) ҫ интенсивностьмод поля с A по Kизлучения с помощью разработанного волновода, делая нестабильнымипроцедуры ввода в волновод и вывода из волновода терагерцового излучения. Более того, межмодовое биение в многомодовых волноводах способнопривести к перекачке энергии из основных мод в моды высшего порядка, характеризующиеся существенными потерями терагерцового излучения [332].В то же время эффект интерференции мод может быть использован дляразработки новых методов терагерцовых измерений на основе внутриволноводной интерферометрии [333].Разработка метода изготовления сапфировых терагерцовыхфотонно-кристаллических волноводовНесмотря на сложность процесса механической обработки сапфира сиспользованием классических методов шлифования и полирования по при-120чине его высокой твердости и анизотропии физических свойств, существует группа технологий придания кристаллу сапфира заданной формы непосредственно в процессе его роста [334].
Среди этих методов стоит особо отметить метод роста профилированных кристаллов Степанова (EFG ҫ edgedeҥned ҥlm-fed growth technique) [320ҫ325]. Метод Степанова позволяет изготавливать цилиндрические профилированные кристаллы с заданным профилем сечения, включая многоканальные простые и градиентные фотоннокристаллические структуры [304, 306, 315], гиперрешетки [335], структуры снецентросимметричными каналами и тонкими мембранами [313,336], а такжефотонно-кристаллические структуры с профилем сечения, непрерывно изменяющимся вдоль оптической оси [337].Наряду с высокой скоростью роста метод Степанова позволяет получатьцилиндрические структуры с характерным размером элемента профиля порядка 0, 1 мм. Метод позволяет сохранять высокое качество сечения кристалла с атомно-гладкими границами раздела на всем его протяжении, причемдлина кристалла может превышать 1 м при использовании соответствующейростовой установки.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
