Диссертация (1335833), страница 19
Текст из файла (страница 19)
При условии жесткой фокусировкиотмечался конусовидный характер направленности излучения на высоких частотах в отличие от приосевого распространения низких частот. Стоит отметить, что использованиеэлектрооптического детектирования ограничило исследованный частотный диапазон до 2ТГц.Второй эксперимент по наблюдению пространственного профиля интенсивности излучения из плазмы оптического пробоя приводится в работе [41] при помощи гетеродинногодетектора на частоте 0.1 ТГц для случая длинного излучающего филамента и одночастотной схемы возбуждения плазмы. При использовании только излучения первой гармоникидля генерации терагерцового излучения преобладает механизм генерации за счет действияпондеромоторных сил на электронный газ вблизи фокуса лазерного импульса.
Терагерцо99вое излучение, вызванное таким механизмом, является конически направленным, причемв каждой точке конуса поляризация излучения направлена к оси конуса, то есть являетсярадиальной (см. [40]. Аналогичные свойства должны проявляться для механизма генерации за счет так называемого переходного излучения, возникающего при прохожденииифемтосекундного лазерного импульса через область с резким градиентом плотности электронов (см.
[143]). В упомянутом эксперименте Д‘Амико при помощи узкополосного детектора было продемонстрировано как коническое распределение интенсивности излучения,так наличие радиальной поляризации у этого излучения.Целью данной главы является определение пространственной структуры ТГц пучкаи его поляризации в наиболее распространённой конфигурации генератора: однопучковой схеме, в которой кристалл второй гармоники устанавливается непосредственно передплазменным облаком в сходящемся оптическом пучке. Стоит отметить, что на момент выполнения данной работы пространственно-частотные характеристики ТГц излучения изплазмы оптического пробоя в таком режиме генерации были практически неисследованы.4.2.
Визуализация пространственной структуры ТГц излученияпри помощи матрицы микроболометровДля визуализации пространственного распределения ТГц излучения, генерируемогов плазме оптического пробоя в эксперименте была использована матрица микроболометров на оксиде ванадия, разработанная в Институте физики полупроводников в Новосибирске [144]. Матрица микроболометров имеет разрешение 320*240 при размере одногоэлемента 51 мкм. Общий размер матрицы равен 16*12 мм при факторе заполнения 0.55.Термочувствительный элемент состоит из слоя оксида ванадия толщиной 100 нм, полученного золь-гель методом, заключенного между двумя поддерживающими слоями нитридакремния толщиной по 150 нм.
Нитрид кремния не обладает поглощением в ТГц диапазоне, а оксид ванадия имеет поглощение порядка 10%. Под чувствительным элементомрасположено алюминиевое зеркало, заставляющее ТГц излучение второй раз пройти через чувствительный элемент. Расстояние до зеркала выбрано равным /4 для серединыиспользуемого диапазона частот, чтобы отраженное от зеркала излучение испытало с падающим конструктивную интерференцию в чувствительном элементе. Поскольку изначально матрица болометров была рассчитана на работу в ближнем ИК диапазоне (10.6100мкм), расстояние между зеркалом и слоем оксида ванадия составляет 2 мкм.
Таким образом, в терагерцовом диапазоне излучение не испытывает конструктивной интерференциив пространстве между зеркалом и слоем оксида ванадия. Однако, поскольку поперечныйразмер каждого чувствительного элемента составляет 51 мкм, излучение с вдвое большейдлиной волны может быть детектировано матрицей. Максимум чувствительности матрицы попадает, таким образом, примерно на частоту 3 ТГц.Терагерцовое излучение после перетяжки коллимировалось внеосевым параболическим зеркалом, после чего оптическое излучение отделялось от терагерцового при помощикремниевого фильтра. Далее терагерцовый пучок фокусировался при помощи второго параболического зеркала. Матрица микроболометров помещалась в области фокуса параболического зеркала.
ИК-излучение перетяжки блокировалось 5 мм пластиной из тефлона.При помещении плоскости приемника в фокальную плоскость параболического зеркала 2 на матрице регистрировалось яркое светящееся пятно, являющееся изображениемсфокусированного ТГц пучка (см.рис. 4.1). Поперечные размеры пятна не превышают 500мкм.Важно отметить, что столь малый поперечный размер пятна, близкий к длине волныв ТГц диапазоне частот, говорит о хорошей фокусировке ТГц излучения при помощисистемы из двух параболических зеркал.При перемещении детектора вдоль оси распространения ТГц излучения дальше отфокуса параболического зеркала изображение на матрице расплывается в кольцо с провалом интенсивности вблизи центра (см. рис. 4.2).
Это является свидетельством того, чтотерагерцовое излучение из плазмы направлено преимущественно в конус. Доля энергииизлучения, направленного вдоль оси распространения оптического импульса, при этомневелика. Изображения, полученные матрицей микроболометров в двух разных точкахна оси распространения ТГц (в фокусе ТГц пучка и на некотором расстоянии от него),позволяют оценить угол раствора конуса, возникающего при данных условиях генерацииизлучения.Изображения, показанные на рис. 4.2 и рис. 4.1, получены в фокусе ТГц излученияи в 9.1 мм дальше от фокуса соответственно. Энергия излучения первой гармоники составляла при этом 900 мкДж в импульсе. Угол между поляризациями излучений и2 составлял 55∘ , что соответствовало максимуму эффективности генерации. Для данныхусловий эксперимента полный угол раскрытия конуса составляет примерно 19o .
Здесь при101Рис. 4.1. Увеличенное изображение фокального пятна ТГц сигнала при входной мощности излучения фундаментальной гармоники 900 мкДж. Размеры по вертикальной и горизонтальной осиуказаны в миллиметрах.102Рис. 4.2. Изображение профиля ТГц поля, полученное матрицей микроболометров на расстоянии9.1 мм от положения фокуса параболического зеркала.нято во внимание угловое увеличение системы параболических зеркал, равное 1.5. Вариация положения кристалла BBO и, соответственно, разности фаз между первой и второйгармоникой на входе в плазму приводит к периодическому изменению яркости картины,наблюдаемой на матрице болометров, с сохранением всех размеров и пропорций.
Такжене наблюдалось никаких принципиальных изменений при использовании других фильтровдля отсекания оптического пучка вместо кремниевого (кремний другой толщины, тефлон,пластик, бумага).1034.3. Определение пространственного профиля интенсивности иполяризации ТГц излучения при использованиидетектирования с временным разрешением и при помощиячейки ГолеяДля другого способа визуализации профиля интенсивности ТГц поля, примененного в настоящей работе, было использовано детектирование с временным разрешением вплазме оптического пробоя.
Описание метода детектирования приведено в главе 3. Дляисследования пространственных свойств ТГц излучения, в плече генерации, в 6 см позадифокальной области была помещена ирисовая диафрагма (см. рис. 2.1).Изучение пространственных свойств ТГц излучения проводилось путём регистрациивременных профией ТГц поля и спектров излучения в зависимости от диаметра отверстияв диафрагме. Было обнаружено, что спектр детектированного сигнала существенным образом меняется при уменьшении этого диаметра (см. рис. 4.3). При диафрагме, открытойна угол менее 6∘ , терагерцовое излучение детектировать не удавалось.
Открытие апертуры на больший угол позволяло детектировать сперва высокочастотную часть спектра ТГцимпульса, а при еще больших углах - весь спектр излучения. Открытие апертуры на угол,больший 14∘ , уже не давало увеличения полезного сигнала ни на каких участках спектра,поскольку при этом уже задействовалась вся угловая апертура параболического зеркала, коллимирующего ТГц излучение. Таким образом, в приосевой области ТГц излучениеотсутствует, что соответствует коническому профилю интенсивности.
Высокочастотныекомпоненты спектра при этом распространяются ближе к оси симметрии конуса, чем низкочастотные.Другой способ исследования пространственного профиля ТГц излучения реализованс использованием ячейки Голея в качестве детектора. Для этого на участке между параболическими зеркалами, на котором терагерцовое излучение является коллимированным,помещается экран большой площади, имеющий вертикальную щель толщиной 2мм, которая могла перемещаться поперек пучка при помощи линейного транслятора.
ЯчейкаГолея, как и в предыдущих экспериментах, помещается в области фокуса второго параболического зеркала. В ходе эксперимента измерялась интенсивность регистрируемого ТГцсигнала в зависимости от поперечного положения щели. Типичный результат измеренияпоказан на рисунке 4.4.104Рис. 4.3.
Зависимость детектированного ТГц спектра от диаметра отверстия в диафрагме. Вскобках указана полная угловая апертура диафрагмы.105Рис. 4.4. Интенсивность ТГц излучения, достигающего детектора при сканировании вертикальной щелью поперек сечения ТГц пучка. Красным цветом показан результат измерения при циркулярной поляризации первой гармоники и линейной поляризации второй гармоники, черным при линейных параллельных поляризациях оптических гармоник.106Характерный график с двумя пиками и провалом посередине свидетельствует о том,что поперечный профиль пучка, как минимум, не описывается гауссовским профилем.При наличии кольцевого поперечного сечения пучка, которое соответствует коническойнаправленности излучения из перетяжки, сканирование щелью должно давать результат,аналогичный по форме полученному.Кроме того, стоит отметить, что в данной постановке эксперимента есть возможностьпроверки однородности состояния поляризации ТГц излучения в различных областях пучка.
Измерения показали, что при рассмотренных конфигурациях поляризаций оптическихполей поляризация ТГц излучения в различных частях пучка одинакова с точностью,определяемой погрешностью эксперимента.Таким образом, терагерцовое излучение из области перетяжки двухчастотного лазерного импульса имеет коническое распределение интенсивности. Наиболее высокочастотные компоненты спектра ТГц импульса имеют коническую направленность с меньшимуглом раскрытия, чем для менее высокочастотных компонент. Это вызвано дифракциейпри распространении ТГц излучения в плазме, создаваемой оптическими импульсами, атакже большой протяженностью источника (лазерной искры) вдоль направления распространения оптических импульсов . В приосевой области плазменного облака плотностьплазмы максимальна, на периферии она постепенно убывает.
Оценки плотности электронов, достигаемых в лазерной искре, достигаемой в эксперименте на данной установке,приведены в нашей работе [88], и достигают 9 · 1016 см−3 . Плазменная частота, соответствующая этой плотности электронов, лежит в терагерцовом диапазоне частот ( ≈ 2.7ТГц). Если плотность электронов достигает таких значений на оси плазменного облака,ТГц излучение с частотой меньше плазменной, распространяться вдоль оси вообще неможет, а с частотой, незначительно превышающей плазменную, оказывается в областисильной дисперсии.
Напротив, та часть излучения, которая распространяется под угломк оси лазерного импульса, быстро покидает область плазмы и с большей вероятностьюможет достичь детектора. Очевидно при этом, что для более низкочастотного излученияоказывается “запрещенным” к распространению больший телесный угол, так как областькритической для данных длин волн плазмы занимает больший объем. Поэтому вместоожидаемой пространственной структуры дипольного излучения в эксперименте наблюдается коническое пространственное распределение различных частотных компонент ТГцизлучения. Поляризация излучения при этом является одинаковой во всех пространствен107Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
