Диссертация (1335833), страница 9
Текст из файла (страница 9)
При этом особую важностьимеет постоянность разности оптических длин пучков двух гармоник и, следовательно,разности фаз между полями первой и второй гармоники. Изменение этой разности фазна соответствует изменению полярности ТГц поля, поэтому флуктуация разности длинплеч должна быть существенно меньше длины волны оптического излучения. Поэтому внастоящей работе применяется активная система стабилизации разности длин плеч первойи второй гармоники, что делает разработанный спектрометр-поляриметр уникальным.Для анализа поляризации в работе используется ряд методик, каждая из которыхоптимизирована для выполнения конкретной задачи.
Во-первых, используется электрооптическое детектирование в сочетании с анализатором ТГц излучения, помещенным впараллельный ТГц пучок, что позволяет получить временные формы проекций вектораэлектрического поля ТГц импульса на взаимно ортогональные направления, то есть построить годограф вектора электрического поля. Вторым способом является интегральноедетектирование при помощи акустооптической ячейки Голея при вращении ТГц анализатора в параллельном пучке, которое обеспечивает наиболее быстрое и удобное определение направления поляризации ТГц излучения для случая, когда она линейна или близкак линейной. Недостатком первого метода является поляризационная анизотропия самогодетектора: для электрооптического детектирования трудно обеспечить равные чувствительности к двум взаимно ортогональным поляризациям терагерцового излучения.
Крометого, доступный спектральный диапазон ограничен по сравнению с таковым у интегрального детектирования (при использовании кристалла ZnTe толщиной 1мм эффективностьдетектирования излучения на частоте выше 2.5 ТГц резко падает). Тем не менее, есть иочевидный плюс: электрооптическое детектирование - когерентный метод, позволяющийполучать информацию и о фазе, и об амплитуде ТГц поля, что позволяет исследовать состояния поляризации ТГц излучения, отличные от линейной. Для получения информациио спектре терагерцового излучения в работе применяется несколько методик: когерентноедетектирование по генерации второй гармоники пробного импульса в присутствии постоянного поля (так называемое ABCD-детектирование), и детектирование при помощи интерферометра Майкельсона с кремниевым болометром в качестве приемника излучения.Оба этих метода позволяют работать с ТГц излучением на высоких частотах, включаядиапазон 1-7 и 1-15 ТГц соответственно.442.2.
Оптическая схема терагерцового спектрометра-поляриметра сразделенными пучками первой и второй гармоникиДля удовлетворения требований, сформулированных во введении к данной главе, былсоздан спектрометр, оптическая схема которого показанна на рисунке 2.1.Источником фемтосекундного излучения является регенеративный усилитель на титан-сапфире SpectraPhysics Spitfire Pro. Он генерирует импульсы длительностью 120 фс сцентральной длиной волны 797 нм и частотой повторения 1 кГц и энергией до 2 мДж вимпульсе.Пучок, выходящий из лазера, имеет диаметр 13 мм, и перед входом в установку припомощи телескопа Т из собирающей и рассеивающей линзы он сжимается в два раза.Далее пучок делится в соотношении 95/5, причем меньшая доля в дальнейшем используется для детектирования ТГц излучения.
Делитель пучка BS1 представляет собой двабрюстеровских поляризатора и полуволновую фазовую пластинку WP1 перед ними.После разделения исходного пучка лазерного излучения на плечо генерации и плечодетектирования, плечо генерации еще раз разделяется в соотношении 50/50 на дихроичном зеркале DM1. Одна половина пучка предназначается для излучения на основнойчастоте лазера (в дальнейшем будем называть её “плечо ”), другая половина пучка предназначается для генерации второй гармоники и её последующего отделения от фундаментальной частоты лазера диэлектрическими зеркалами (это плечо в дальнейшем будетназываться “плечо 2 ”). Генерация второй гармоники производится в кристалле BBO Iтипа синхронизма толщиной 300 мкм.
Линия задержки в плече 2 служит для совмещения по времени излучений первой и второй гармоники. Тонкая подстройка временнойзадержки осуществляется при помощи пары клиньев из ультрафиолетового кварцевогостекла КУ-1. Один из клиньев вдвигается в пучок при помощи микрометрического винта.Фазовые пластинки WP2 и WP3 и аттенюаторы A1 и A2 позволяют независимо управлятьполяризациями и интенсивностями каждого плеча в отдельности.В дальнейшем два плеча совмещаются в пространстве при помощи диэлектрическогозеркала DM2, имеющего максимальный коэффициент отражения для длины волны 400 нм.Излучение из плеча при этом проходит данное зеркало насквозь.После совмещения плеч излучение фокусируется линзой L2 из ультрафиолетовогокварцевого стекла КУ-1 с фокусным расстоянием 10 см.
Фокальная область линзы и яв45ляется областью нелинейного взаимодействия, в которой образуется плазменное облако.Поскольку показатели преломления материала линзы для излучений на частоте первойи второй гармоники различаются, в плечо первой гармоники добавляется длиннофокусная рассеивающая линза L1 с фокусным расстоянием 200 см для уменьшения расстояниямежду фокальными плоскостями излучения на двух гармониках.Рис. 2.1. Схема фемтосекундной части установкиДалее оптическое излучение отделяется от терагерцового при помощи пластинки высокоомного кремния и терагерцовое излучение коллимируется при помощи внеосевого параболического зеркала с фокусным расстоянием 51 мм и диаметром апертуры 51 мм.Для детектирования ТГц импульса излучение фокусируется при помощи внеосевого параболического зеркала PM соосно с пучком детектирующего оптического импульса.Детектирующий импульс проходит предварительно через линию задержки DL и фокусируется при помощи линзы L4 через отверстие в параболическом зеркале PM.
Детектирование происходит в нелинейном кристалле ZnTe в результате проявления электрооптического эффекта: линейная поляризация пучка изменяется пропорицонально величинеТГц поля в кристалле в момент прихода пробного импульса. Поворот поляризации пробного пучка регистрируется при помощи схемы с измерением отношения интенсивностейортогонально-поляризованных компонент (см. рис.
2.1). Поляризация излучения сначалапревращается в круговую при помощи пластинки /4, а затем при помощи призмы Волластона две ортогональные компоненты поляризации направляются на два фотодиода,включенных в балансную схему. В отсутствие ТГц излучения разность токов на диодах46выставляется точно равной нулю. В случае прихода ТГц импульса поляризация излученияповорачивается, нарушая баланс токов на двух фотодиодах.
Разность этих токов оказывается пропорциональной величине ТГц поля [109]. Движение линии задержки пробногопучка относительно терагерцового позволяет регистрировать величину поля ТГц импульса в различные моменты времени. Таким образом происходит поточечное восстановлениевременного профиля ТГц импульса. Использование кристалла ZnTe толщиной 1 мм позволяет детектировать ТГц излучение в диапазоне от 0.1 до 2.5 ТГц [110], более высокиечастоты остаются недоступными ввиду невыполнения условия фазового синхронизма.Для анализа состояния поляризации ТГц излучения в коллимированный ТГц пучокпомещается полиэтиленовый поляризатор. Регистрация временного профиля ТГц излучения для двух взаимно ортогональных ориентаций анализатора поля позволяет получитьгодограф конца вектора электрического поля в пространстве.Альтернативным методом исследования поляризации ТГц излучения является помещение в качестве приемника ТГц излучения акустооптической ячейки Голея, котораячувствительна к излучению в ТГц и ИК диапазоне, и регистрация зависимости принимаемого сигнала от ориентации ТГц анализатора.
Это позволяет быстро определить степеньотличия поляризации ТГц излучения от линейной, и определить ориентацию линейнойполяризации.2.3. Стабилизация разности длин оптических плеч первой ивторой гармоникиПоскольку амплитуда поля терагерцового излучения при генерации для любого израссматриваемых механизмов нелинейности гармоническим образом зависит от разностифаз оптических полей , условие постоянства этой разности является критически важнымдля генерации ТГц излучения. Однако, в каждом из плеч излучение проходит свою последовательность зеркал, каждое из которых индивидуальным образом взаимодействуетс низкочастотными колебаниями оптического стола, и точное положение плоскости отражения зеркал колеблется относительно своего равновесного положения.
Несмотря намалую амплитуду колебаний каждого из зеркал в отдельности, полное значение разностиоптических путей в плечах и 2 испытывает колебания с амплитудой, совпадающей попорядку с длиной волны оптического излучения. Данная нестабильность разности длин47плеч и, следовательно, разности фаз , является недопустимой для исследования генерации ТГц излучения. Следовательно, необходима система принудительной стабилизацииразности оптических длин двух плеч.Такая система была реализована с использованием пъезокерамического актюатора,связанного с зеркалом PZ-M плеча .Системы стабилизации разности длин, различные по принципу своего построения,неоднократно реализовывались для многих оптических систем (например, [111–113]).Несмотря на то, что основная часть шумов, которые необходимо подавить, лежит вобласти низких частот (0 до 100 Гц), не представляется возможным их отслеживать припомощи используемой лазерной системы, частота повторения которой составляет 1 кГц.Для слежения за флуктуациями разности длины плеч в установку был заведен дополнительный луч непрерывного гелий-неонового лазера мощностью 7 мВт.
На рисунке 2.2 показана схема распространения излучения этого лазера (чтобы не загромождать схему, частьоптических элементов в плече 2 и плече детектирования не показана). Луч вводился всистему сразу после отщепления пучка детектирования отражением от брюстеровского окна делителя BS1 коллинеарно с основным излучением. Пучок излучения гелий-неоновоголазера полностью повторяет путь излучения фемтосекундного лазера: одна его часть распространяется по “плечу ”, другая его часть распространяется по “плечу 2 ”. Для минимизации потерь при отражении большая часть зеркал в обоих плечах имеет металлическоепокрытие. При прохождении диэлектрического зеркала DM2, сводящего в пространствеизлучение из двух плеч, небольшая часть энергии излучения гелий-неонового лазера изобоих плеч схемы продолжает распространение в сторону дифракционной решетки DG1,то есть отщепляется от основной оптической схемы.
Далее, при помощи двойного монохроматора излучение гелий-неонового лазера окончательно отфильтровывается от излученияпервой и второй гармоники и направляется в фотоэлектронный умножитель. Интенсивность, регистрируемая при помощи ФЭУ, содержит три слагаемых: два слагаемых, пропорциональных интенсивности излучения, дошедшего из каждого из плеч, и интерференционный член, несущий информацию о фазовом шуме между плечами интерферометра[114].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
