Диссертация (1335833), страница 11
Текст из файла (страница 11)
При этом еще непроисходит фотоионизации газа, и основным механизмом детектирования является нелинейный отклик связанных электронов. При выбранных экспериментальных параметрахудается реализовать детектирование ТГц излучения в диапазоне от 0.5 до 7 ТГц, чтопоказано на рисунке 2.6.54Рис. 2.6. Спектр ТГц излучения из плазмы оптического пробоя, зарегистрированный при помощигенерации второй гармоники в газовой среде. Для сравнения на том же графике представлен тотже ТГц сигнал, детектированный при помощи электрооптического кристалла ZnTe толщиной1 мм.Параметры спектрометра, которые достигались в приведенных экспериментальныхсхемах, составили:Амплитуда ТГц поля (в фокусе параболического зеркала): до 1.5 кВ/смТипичное спектральное разрешение: 20 ГГцДоступный спектральный диапазон: 0.5-7 ТГц при детектировании в газовойсреде; 0.3-2.5 ТГц при электрооптическом детектированииДинамический диапазон: 40дБВремя записи одного спектра: примерно 5 минутДоступная для анализа поляризация ТГц излучения: любая для электрооптического детектирования; детектирование в газовой среде настроено на работу с горизонтально поляризованным ТГц излучениемСозданный спектрометр позволяет, таким образом, проводить эксперименты по поисследованию поляризации ТГц излучения.
Для исследования поляризации оптическогоизлучения второй и третьей гармоники требовалась модификация системы сбора и анализа излучения, вышедшего из зоны взаимодействия.Для этого оптическое излучение второй и третьей гармоники коллимируется припомощи кварцевой линзы, установленной вместо внеосевого параболического зеркала. В55дальнейшем, в зависимости от задачи, излучение либо направляется при помощи металлического зеркала на входную щель монохроматора Princeton Instruments Acton 500i cПЗС-камерой Princeton Instruments Pixis 400 в качестве детектора для исследования излучения третьей гармоники, либо на дифракционную решетку с плотностью 1200 штрихов/мм для анализа излучения второй гармоники при помощи фотодиода Thorlabs PDB150C.
Непосредственно перед детектором излучения устанавливалась призма Глана дляанализа поляризации. Схема этой модификации установки приведена на рисунке 2.7.Рис. 2.7. Схема установки, предназначенной для исследования поляризации излучения второй итретьей гармоники лазерного излучения2.5. Интерферометр Майкельсона для изучения спектральныххарактеристик ТГц излученияТем не менее, для описанного метода регистрации в области высоких частот спектральная чувствительность детектирования снижается и не дает возможности корректнооценить полную ширину спектра ТГц излучения. Для определения спектральной шириныгенерируемого излучения был создан интерферометр Майкельсона, приемником в которомслужил кремниевый болометр.
Общая схема установки показана на рисунке 2.8.Терагерцовое излучение генерируется в схеме без разделения пучков первой и второй56Рис. 2.8. Схема экспериментальной установки для получения автокорреляционной функции терагерцового импульса. В основе схемы лежит интерферометр Майкельсона, детектором служиткремниевый болометр.гармоники. Луч регенеративного усилителя, имеющий энергию до 1.4 мДж в импульсе,фокусируется при помощи линзы с фокусным расстоянием 15 см, кристалл ВВО располагается в сходящемся пучке так, чтобы максимизировать энергию ТГц излучения. ДалееТГц излучение коллимируется при помощи внеосевого параболического зеркала с апертурой 2 дюйма и фокусным расстоянием 10 см. Параллельный терагерцовый пучок делитсяна два равных по амплитуде при помощи кремниевого делителя, имеющего коэффициентотражения 50% и апертуру 2 дюйма. Два полученных пучка представляют собой плечиинтерферометра.
В каждом из них расположено плоское металлическое зеркало большойапертуры, направляющее луч обратно на делительную пластинку. Одно из зеркал установлено на моторизованной платформе, способной двигаться с минимальным размером шага1.25 мкм. Делительная пластинка является прозрачной в терагерцовом диапазоне вплотьдо 18 ТГц, где существует пик фононного поглощения [95]. После делительной пластинки терагерцовое излучение фокусируется при помощи второго параболического зеркала сфокусным расстоянием 15 см в приемное окно кремниевого болометра. Болометр LN-6/Cпроизведен фирмой Infrared Laboratories в США. Он работает при температуре 4.2 К,поэтому его чувствительный элемент помещен в гелиевый криостат, внешняя рубашка которого охлаждается жидким азотом, а холодная плита - жидким гелием.
Входное окнокриостата прозрачно во всем ТГц и дальнем ИК диапазоне (до 25 ТГц), а внутри крио57стата, перед детектором, помещается один из трех фильтров, отсекающих ИК излучение.Фильтры имеют верхнюю границу пропускания на частотах 1.5, 3 и 24 ТГц. Для исследования ширины спектра ТГц излучения из плазмы оптического пробоя подходит лишьпоследний из этих фильтров. Поскольку характерное время отклика болометра и его усилителя составляет менее миллисекунды, электрический сигнал можно непосредственноанализировать синхронным усилителем на частоте повторения лазера (1 кГц), без дополнительной модуляции оптическим прерывателем, как это требуется для других типовинтегральных детекторов (акустооптической ячейки Голея и пироэлектрического приемника). Для регистрации автокорреляционной функции измеряется интенсивность сигналана болометре от разности длин плеч интерферометра.
Фурье-образ полученной интерферограммы представляет собой спектр мощности ТГц импульса. Спектральное разрешениепри типичном размере интерферограммы 800 точек составляет 150 ГГц, а доступный спектральный диапазон определяется характеристиками выбранного внутреннего фильтра болометра, а также поглощением делительной пластинки. Поэтому максимально доступныйдля анализа частотный диапазон составляет от 0 до 18 ТГц.2.6. Выводы по главе 2Таким образом, с использованием фемтосекундного лазера с высокой частотой повторения импульсов (1 кГц) и систем широкополосного детектирования в диапазоне от 0 до18 ТГц разработан и создан многофункциональный спектрометр-поляриметр, позволяющий проводить эксперименты в оптическом и ТГц диапазонах с возможностью управленияполяризацией, интенсивностью и временной задержкой пучков первой и второй гармоник.58Глава 3Экспериментальные исследования поляризационных испектральных свойств ТГц излучения3.1.
ВведениеМножество исследований генерации терагерцового излучения в плазме оптическогопробоя, проводилось для демонстрации возможностей управления параметрами генерациипутем изменения поляризаций и фаз возбуждающих оптических полей, а также свойствгазовой среды. Например, в работах [48, 63, 119] исследовались зависимости эффективности генерации от давления газа.
При высоких давлениях газовой смеси спектр излученияпретерпевал изменения, что объяснялось потерей когерентности движения фотоэлектронов при их рассеянии на окружающих молекулах (так называемый процесс обратноготормозного излучения [119]). В работе немецкой группы Бабушкина теоретически предсказвывается возможность управления спектром ТГц излучения посредством контролямоментов туннельной ионизации атомов, которые зависят от частот и фаз возбуждающего оптического излучения [120].
Кроме того, управление разностью фаз и поляризациямиизлучения двух гармоник позволило провести поляризационные эксперименты ([47, 49]). Вэтих работах было экспериментально показано, что управление разностью фаз между первой и второй гармоникой приводит к изменению интенсивности и состояния поляризацииТГц поля. Поляризационные эксперименты в этих статьях поводились по сходной методике: измерялась интенсивность ТГц излучения при различных значениях разности фази различных ориентациях анализатора ТГц излучения, помещенного перед детектором.В зависимости от возможностей для управления поляризациями и фазами оптическихгармоник в описанных экспериментальных схемах были исследованы случаи двух линейных поляризаций и 2 под различными углами друг к другу (55∘ в работе Линденберга[49], 0∘ и 90∘ в работе Жанга [47]), а также двух циркулярных поляризаций и двух эллиптических поляризаций (также в работе Жанга).
В частности, для двух циркулярныхполяризаций с одинаковым направлением вращения показано, что направление вектораполяризации ТГц излучения изменяется при изменении разности фаз между двумя пучками, но сама поляризация при этом остается близкой к линейной (см. рис. (3.1))59Рис. 3.1. Интенсивность ТГц излучения, прошедшего через анализатор при различных ориентациях анализатора (горизонтальная ось) и различных разностях фаз между гармониками (вертикальная ось) при двух циркулярных поляризациях пучкови2с одинаковым направлениемвращения [47]Экспериментальному исследованию свойств эффективного тензора диэлектрическойвосприимчивости третьего порядка для плазмы оптического пробоя при генерации терагерцового излучения были посвящены работы [60, 61].
Обе работы выполнялись в схемес раздельным управлением пучками первой и второй гармоники. Авторы регистрировали амплитуду [60] и интенсивность [61] ТГц излучения, поляризованного параллельно иортогонально поляризации первой гармоники.В обеих работах было показано, что при ортогональных поляризациях первой и второй гармоники амплитуда ТГц излучения как минимум на порядок уступает амплитудепри параллельных поляризациях. Говоря на языке нелинейностей это эквивалентно соот(3)(3)ношению / < 0.1, считая ось сонаправлена с поляризацией фундаментальнойгармоники (индексы тензора соответствуют поляризациям терагерцового излучения, пучков второй, первой и первой гармоники соответственно).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
