УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ СПЕКТРОМ КОЛЛИМИРОВАННОГО ПУЧКА ШИРОКОПОЛОСНОГО ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Полезная модель относится к оптике инфракрасного (ИК) и терагерцового (ТГц) диапазонов и может найти применение в установках, содержащих широполосные источники ИК и ТГц излучения (нагретое тело, синхротрон, импульсные лазеры), в ТГц плазменной и фурье-спектроскопии проводящей поверхности и тонких слоев на ней, в перестраиваемых фильтрах ИК и ТГц излучения.
Основным способом управления спектром пучка широкополосного ИК излучения является пропускание его через селективный по частоте фильтр [Э. Ангерер. Техника физического эксперимента // М.: Физматлит, 1962. с. 317-324]. По своему принципу действия оптические фильтры подразделяют на абсорбционные (изготовленные из веществ, имеющих полосы поглощения в пределах спектра пучка), интерференционные (состоящие из прозрачной пластины, поверхность которой содержит многослойное покрытие с чередующимися высоким и низким показателями преломления), отражательные (действие которых основано на спектральной зависимости отражения непрозрачного материала), поляризационные (их применение основано на том, что отраженное объектом излучение частично поляризовано), дисперсионные (функционирующие на основе зависимости показателя преломления вещества фильтра от длины волны). Интенсивность излучения в пределах полос поглощения изменяют путем изменения расстояния, проходимого излучением в веществе фильтра. Основными недостатками таких фильтров являются ограниченность диапазона частот, подвергаемого регулировке и определяемого расположением полос поглощения вещества фильтра на оси частот, а также - невозможность оперативного управления спектром пучка.
Известны фильтры для управления спектром широкополосного ТГц излучения, содержащие фокусирующий объектив и плоский проводящий экран с упорядоченным набором идентичных отверстий, форма и размер которых определяет местоположение и ширину полосы пропускания фильтра на оси частот [Melo A.M., Kornberg М.А., Kaufmann P. et al. Metal mesh resonant filters for terahertz frequencies // Applied Optics, 2008, v.47, No.32, р.6064-6069]. Основным недостатком известного устройства является невозможность оперативного управления амплитудно-частотным спектром проходящего через него излучения.
Наиболее близким к заявляемому устройству по технической сущности является устройство для управления спектром пучка широкополосного ТГц излучения, содержащее поляризатор, фокусирующий объектив, элемент преобразования объемного излучения в поверхностные электромагнитные волны (ПЭВ), проводящую пластину с плоской гранью, способной направлять эти ПЭВ, экран, поглощающий не преобразованное в ПЭВ объемное излучение, подвижную платформу, на которой укреплены объектив, элемент преобразования и экран [Жижин Г.Н., Князев Б.А., Никитин А.К., Герасимов В.В. Способ управления спектром пучка широкополосного терагерцового излучения // Патент РФ на изобретение №2491587, Бюл. №24 от 27.08.2013 г.]. Основными недостатками известного устройства являются низкая надежность работы устройства, что обусловлено необходимостью перемещения элемента преобразования в процессе перестройки фильтра, а также его большие размеры, сопоставимые с длиной распространения ПЭВ, имеющей минимальную частоту рабочего диапазона.
Технический результат направлен на повышение надежности работы устройства, уменьшение его размеров и времени перенастройки.
Технический результат достигается тем, что устройство для управления спектром коллимированного пучка широкополосного инфракрасного излучения, содержащее источник излучения, поляризатор, фокусирующий цилиндрический объектив, элемент преобразования объемного излучения в поверхностные электромагнитные волны (ПЭВ), проводящую пластину с плоской гранью, способной направлять эти ПЭВ, размещенный в окружающей среде над треком ПЭВ на расстоянии не меньше глубины проникновения поля ПЭВ в среду экран, поглощающий не преобразованное в ПЭВ объемное излучение, и подвижную платформу, способную перемещаться в плоскости, параллельной грани пластины, дополнительно содержит укрепленное на платформе уголковое зеркало, состоящее из двух сочлененных плоских пластин с взаимно перпендикулярными отражающими поверхностями, примыкающими к грани проводящей пластины и перпендикулярными к ней, причем зеркало ориентировано таким образом, что ПЭВ падают на его отражающие поверхности под углом в 45°.
Все три поставленные цели по совершенствованию устройства достигаются введением в его состав вышеописанного уголкового зеркала, размещаемого на подвижной платформе, перемещаемой вдоль трека пучка ПЭВ. Возможность применения плоских зеркал для отражения ИК ПЭВ обоснована и апробирована в статье [Герасимов В.В., Князев Б.А., Никитин А.К. Отражение монохроматических поверхностных плазмон-поляритонов терагерцевого диапазона плоским зеркалом // Квантовая электроника, 2017, т.47 (1), с. 65-70].
Наличие в устройстве такого зеркала позволяет изменять длину пробега ПЭВ (с целью перенастройки спектра пропускания устройства) не путем перемещения элемента преобразования, а в результате изменения местоположения зеркала на направляющей ПЭВ поверхности; при этом элемент преобразования (обычно дифракционного типа) остается неподвижным, что обуславливает неизменность условий преобразования объемного излучения в ПЭВ и, следовательно, неизменность спектра ПЭВ на выходе элемента. Выполнение этого условия (неизменности условий преобразования, а значит, и спектра ПЭВ в начале трека) способствует повышению надежности и корректности работы устройства.
Кроме того, неподвижность элемента преобразования исключает необходимость трудоемкой и продолжительной процедуры его юстировки при перенастройке спектра пропускания устройства, что позволяет сократить время подготовки устройства к функционированию с новым спектром пропускания.
И, наконец, использование уголкового зеркала, изменяющего направление распространения ПЭВ на обратное при сохранении длины пробега ПЭВ, позволяет сократить протяженность грани проводящей пластины в два раза при незначительном увеличении ее ширины.
Изобретение поясняется чертежами: на фиг. 1 - схема устройства, реализующего способ; на фиг. 2 - частотные зависимости интенсивности в пучке ТГц излучения синхротрона до плазмонного фильтра и после него при различных длинах пробега ПЭВ по границе раздела "золото - вакуум".
На Фиг. 1 приведена схема (вид сверху) заявляемого устройства, где цифрами обозначены: 1 - источник коллимированного широкополосного ИК излучения; 2 - регулируемый поляризатор; 3 - плоская грань проводящей пластины, способная направлять ПЭВ; 4 - цилиндрический фокусирующий объектив; 5 - элемент преобразования излучения в ПЭВ; 6 - экран, поглощающий не преобразованное в ПЭВ объемное излучение и размещенный в окружающей среде над треком ПЭВ на расстоянии не меньше глубины проникновения поля ПЭВ в среду; 7 - уголковое зеркало, состоящее из двух сочлененных плоских пластин с взаимно перпендикулярными отражающими поверхностями, примыкающими к грани 3 и перпендикулярными к ней, причем зеркало ориентировано таким образом, что ПЭВ падают на его отражающие поверхности под углом в 45°; 8 - платформа, содержащая зеркало 7 и способная перемещаться вдоль грани 3.
Заявляемое устройство работает следующим образом. Излучение источника 1 проходит через поляризатор 2, который выделяет из излучения p-составляющую относительно грани 3 проводящей пластины. Линейно поляризованное излучение фокусируется объективом 4 в линию, совпадающую со щелевым входом элемента 5, преобразующего объемное излучение источника 1 в направляемый гранью 3 коллимированный пучок ПЭВ. Паразитные объемные волны, порождаемые в результате дифракции на элементе 5, поглощаются экраном 6. Дойдя до первой отражающей грани уголкового зеркала 7, пучок ПЭВ отражается ею на вторую грань этого зеркала, которая отбрасывает его в направлении, обратном направлению падающего на зеркало пучка. Дойдя до края грани 3, пучок ПЭВ дифрагирует на нем и преобразуется в объемное излучение, имеющее спектр, определяемый длиной пробега ПЭВ. Изменение спектра излучения происходит в процессе распространения ПЭВ и обусловлено частотной зависимостью (дисперсией) коэффициента затухания ПЭВ, величина которого пропорциональна квадрату частоты излучения (в отсутствие радиационных потерь ПЭВ из-за наличия неоднородностей на поверхности грани 3). Перемещая зеркало 7 вдоль трека ПЭВ, можно изменять длину пробега ПЭВ и, следовательно, спектральный состав излучения, достигающего края грани 3 и излучаемого с него. При этом элемент преобразования 5 остается неподвижным и не требует корректирующей юстировки, что способствует повышению надежности работы устройства и сокращению времени его перенастройки, а разворот пучка ПЭВ на 180° позволяет уменьшить длину грани 3 в два раза.
-1
-1
-1
-1
В качестве примера применения заявляемого устройства рассмотрим возможность управления спектром пучка излучения синхротрона, содержащим непрерывный ряд гармонических компонент в диапазоне частот от 50 см до 700 см, что соответствует длинам волн от 200 мкм до 14,3 мкм. Для этого в качестве фильтра выберем оптическую поверхность золота, диэлектрическую проницаемость которого будем рассчитывать по модели Друде, полагая столкновительную частоту свободных электронов равной 215 см, а плазменную - 72800 см [Ordal М.А., Bell R.J., Alexander R.W., Long L.L., and Querry M.R. Optical properties of fourteen metals in the infrared and far infrared: Al, Co, Cu, Au, Fe, Pb, Mo, Ni, Pd, Pt, Ag, Ti, V, and W // Applied Optics, 1985, v.24(24), p.4493-4499]. Преобразование излучения синхротрона в ПЭВ будем осуществлять методом дифракции излучения источника на прямоугольном крае согласующего элемента в форме сегмента цилиндра, описанным в [Герасимов В.В., Князев Б.А., Никитин А.К. Отражение монохроматических поверхностных плазмон-поляритонов терагерцевого диапазона плоским зеркалом // Квантовая электроника, 2017, т.47 (1), с. 65-70] и позволяющим эффективно реализовывать преобразование как в ТГц, так и в ИК диапазоне.
-1
-1
На Фиг. 2 приведены расчетные частотные зависимости интенсивности в пучке излучения синхротрона до плазмонного фильтра (сплошная линия) и после него при длине пробега ПЭВ Δх по границе раздела "золото - вакуум", равной 10 см, 20 см и 50 см. Видно, что при Δx=50 см компоненты с частотами, превышающими 600 см, ослабляются более чем в 100 раз, в то время как интенсивность компонент с частотами, близкими к 200 см, ослабляется всего в 2 раза. Перемещая подвижную платформу 8 с укрепленным на ней зеркалом 7, можно оперативно изменять длину пробега пучка ПЭВ, изменяя тем самым соотношение интенсивностей гармонических компонент в пучке излучения на выходе плазмонного фильтра.
Таким образом, рассмотренный пример наглядно демонстрирует возможность повышения надежности работы регулируемого устройства для управления спектром коллимированного пучка широкополосного излучения, сокращения времени его перенастройки и уменьшения размеров за счет размещения на пути излучения в форме ПЭВ перемещаемого вдоль их трека уголкового зеркала, разворачивающего пучок ПЭВ в обратном направлении.