УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ НЕПРЕРЫВНОГО ШИРОКОПОЛОСНОГО ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С РЕГУЛИРУЕМЫМ СПЕКТРОМ

Полезная модель относится к оптике инфракрасного (ИК) и терагерцового (ТГц) диапазонов и может найти применение в плазмонной и фурье-спектроскопии проводящей поверхности и тонких слоев на ней, для сенсорных применений и контроля качества металлических зеркал, а также для создания тепловых источников РЖ и ТГц излучения с регулируемым спектром.
Наиболее распространенными устройствами для генерации непрерывного широкополосного РЖ излучения являются нагретые до 1000-2000°С тугоплавкие тела (вольфрамовая спираль, штифт Нернста, глобар) или электрический разряд (тлеющий или дуговой) в вакууме или газе (газоразрядные лампы, ртутная кварцевая лампа высокого давления) [1]. Регулирование спектра излучения в перечисленных устройствах осуществляют либо температурой излучающего тела, либо напряженностью электрического поля, либо селективными по частоте оптическими фильтрами. Основными недостатками названных тепловых и разрядных источников РЖ излучения являются малый коэффициент полезного действия, низкая интенсивность длинноволновой части спектра излучения и необходимость использования специальных фильтров для регулирования спектра генерируемого излучения.
Альтернативным (тепловому излучению с поверхности нагретых тел) механизмом генерации РЖ излучения является дифракция термостимулированных поверхностных плазмон-поляритонов (ТППП) [2], разновидности неизлучающих р-поляризованных поверхностных электромагнитных волн порождаемых тепловыми колебаниями ионов кристаллической решетки металлического (или полупроводникового) тела в пределах его скин-слоя, на тех или иных нарушениях трансляционной симметрии поверхности (в частности, на ребре его плоской грани) [3,4].
Известно устройство для наблюдения конверсии тепловых поверхностных плазмон-поляритонов в фотоны, содержащее полосовой плоскогранный металлический образец, регулируемый нагреватель, находящийся в тепловом контакте с образцом, ребро образца, сопрягающее две его смежные грани, тепловизор [5]. Основным недостатком известного устройства являются его большие размеры и невозможность оперативного управления амплитудно-частотным спектром генерируемого излучения.
Наиболее близким к заявляемому по технической сущности является устройство, реализующее способ генерации непрерывного широкополосного ИК излучения с регулируемым спектром, содержащее полосовой плоскогранный металлический образец толщиной больше скин-слоя в материале образца, регулируемый нагреватель, находящийся в тепловом контакте с образцом, ребро образца, сопрягающее две его смежные грани, а также - поглощающий экран, примыкающий к одной из граней, образующей ребро, и перемещаемый вдоль нее [6]. Основным недостатком известного устройства являются его большие размере, обусловленные необходимостью аккумулирования энергии ИК ТППП, порожденных в удаленных от ребра различных токах грани образца.
Технический результат полезной модели направлен на уменьшение размеров устройства.
Технический результат достигается тем, что устройство для генерации непрерывного широкополосного инфракрасного излучения с регулируемым спектром, содержащее регулируемый нагреватель, полосовой плоскогранный металлический образец толщиной больше скин-слоя в материале образца, ребро, сопрягающее две его смежные грани, дополнительно содержит плоское зеркало, примыкающее к одной из образующей ребро грани, ориентированное перпендикулярно к ней и параллельно ребру, способное перемещаться вдоль грани, будучи обращенным при этом своей отражающей поверхностью к ребру.
Уменьшение размеров устройства достигается путем замены поглощающего экрана плоским зеркалом, примыкающим к грани образца и ориентированным перпендикулярно к ней и параллельно ребру, способным перемещаться вдоль грани, будучи обращенным при этом своей отражающей поверхностью к ребру. Такой технический прием позволяет сократить размер грани образца, а, следовательно, и всего устройства, в два раза. Достигаемый эффект объясняется способностью плоских зеркал отражать поверхностную волну подобно плоской волне, если величина зазора между зеркалом и гранью образца не превышает трех длин волн ТППП [7]. Вследствие этого, на излучающее ребро, где происходит конверсия (вследствие дифракции на ребре) ТППП в объемное излучение, поступают не только поверхностные волны, распространяющиеся от данной точки грани к ребру, но и ТППП, идущие из этой точки в противоположном направлении, т.е. от ребра. Уходящие от ребра ТППП достигают зеркала, отражаются от него со 100% эффективностью и, изменив направление распространения на обратное, также поступают на ребро образца. В результате, на излучающее ребро уполовиненного образца поступает та же энергия ИК ТППП, что и на ребро образца в устройстве-прототипе. Отметим, что испускаемое ребром образца излучение, как и в устройстве-прототипе, является широкополосным, имеет р-поляризацию (в силу природы ТППП) и узкую (2°÷3°) диаграмму направленности [4]. Оперативность управления амплитудно-частотным спектром генерируемого излучения достигается путем изменения температуры тела (спектр ТППП подчиняется закону Вина, но с иной константой [8]) и (или) расстояния от зеркала до излучающего ребра (чем больше это расстояние, тем интенсивнее длинноволновая часть спектра излучения и тем менее интенсивна его коротковолновая часть).
На Фиг. 1 (вид сбоку) приведена схема заявляемого устройства, где цифрами обозначены: 1 - регулируемый нагреватель; 2 - полосовой плоскогранный металлический образец толщиной больше скин-слоя в материале образца; 3 - ребро образца 2; 4 - перемещаемое вдоль грани образца 2 плоское зеркала, ориентированное параллельно ребру 3.
Заявляемое устройство работает следующим образом. Нагревателю 1 сообщают желаемую температуру. Приводят образец 2 в тепловой контакт с нагревателем 1 и достигают их теплового равновесия. Оптические фононы образца 2 генерируют широкополосные ТППП в скин-слое его свободной поверхности [2]. Порожденные таким образом ТППП распространяются по всем направлениям от данной точки поверхности; однако, в силу линейной формы образца 2, аккумулирование полей имеет место только для ТППП, распространяющихся вдоль его продольной оси. Распространение ансамбля ТППП по образцу 2 сопровождается экспоненциальным затуханием гармонических компонент пучка ТППП, причем коэффициент затухания каждой из них пропорционален квадрату частоты данной компоненты. Поэтому, по мере распространения пучка спектр ТППП искажается (по сравнению со спектром ТППП, порождаемых на каждой "элементарной" площадке поверхности образца 2) таким образом, что в большей степени гасятся его высокочастотные составляющие [8]. Следовательно, регистрируемый на ребре 3 интегральный спектр ТППП определяется не только свойствами и температурой металла, но и размером части поверхности, открытой для наблюдения с ребра 3. Если над поверхностью образца 2 разместить примыкающее к ней подвижное зеркало 4, ориентированное параллельно ребру 3 и имеющее размер (вдоль нормали к поверхности образца 2) больше глубины проникновения поля ТППП с минимальной частотой рабочего диапазона, то его перемещением можно изменять размер наблюдаемой с ребра 3 части поверхности образца 2 и, таким образом, - управлять спектром ансамбля ТППП на ребре 3. Причем, на него поступают не только ТППП, распространяющиеся к нему от данной точки грани образца 2, но и ТППП, идущие из этой точки в противоположном направлении (т.е. от ребра 3), поскольку последние отражаются зеркалом 4 со 100% эффективностью и, изменив направление распространения на обратное, также поступают на ребро 3. Поступающие на ребро 3 ТППП дифрагируют на нем и трансформируются в искомый пучок узконаправленного объемного широкополосного линейно поляризованного излучения, спектр которого идентичен спектру ТППП на ребре 3 [8].
р
-1
В качестве примера функционирования заявляемого устройства рассмотрим работу устройства, схема которого приведена на Фиг. 1 и которое содержит полосовой образец 2 (длиной 300 мм, что в два раза меньше по сравнению с длиной образца в устройстве-прототипе, и шириной 10 мм) с нанесенным на его свободную поверхность непрозрачным слоем золота (ω=72800 см), нагреватель 1 и подвижное плоское зеркало 4 высотой больше глубины проникновения поля ТППП в вакуум (не более 10 мм) на минимальной частоте рабочего диапазона. Поднимем нагревателем 1 температуру образца 2 до, например, 400 К. В каждой точке свободной поверхности образца фононы слоя золота породят широкополосный ансамбль ТППП, распространяющихся вдоль нормали к ребру 3 как по направлению к нему, так и от него. Экспоненциально затухая (из-за джоулевых потерь) ТППП с различными частотами распространяются по образцу и достигают ребра 3 либо непосредственно, либо после отражения от зеркала 4, аккумулируя таким образом энергию ТППП, распространяющихся по обоим направлениям вдоль нормали к ребру 3. Спектр этого ансамбля будет зависеть от расстояния между зеркалом 4 и ребром 3. На Фиг. 2 приведены спектры ТППП рассчитанные для диапазона от 1 ТГц до 20 ТГц (что соответствует длине волны от 300 мкм до 15 мкм) на ребре 3 при различном расстоянии l от него до зеркала 4: кривая 1 - при l=0.2 м; 2-l=0.25 м; 3-l=0.3 м. Отметим, что эти спектры идентичны спектрам излучения, полученного с помощью устройства-прототипа, в котором протяженность l образца 2 в два раза превышает протяженность образца 2 в заявляемом устройстве.
Таким образом, рассмотренный пример наглядно демонстрирует двукратное уменьшение (по сравнению с прототипом) размеров устройства для генерации непрерывного широкополосного инфракрасного излучения с регулируемым спектром.
Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки:
[1] Криксунов Л.З. Справочник по основам инфракрасной техники // М: Сов. Радио, 1978. - 400 с.
[2] Виноградов Е.А., Дорофеев И.А. Термостимулированные электромагнитные поля твердых тел // М.: Физматлит, 2010. - 484 с.
[3] Минаков Д.А., Селиванов В.Н., Зон В.Б., Латышев А.Н., Овчинников О.В. Тепловое излучение при срыве поверхностной волны вблизи края медной пластины // Конденсированные среды и межфазные переходы, 2006, т. 8, №6, с. 131-136.
[4] Gerasimov V.V., Knyazev В.А., Kotelnikov I.A., Nikitin A.K., Cherkassky V.S., Kulipanov G.N., Zhizhin G.N. Surface plasmon polaritons launched using a terahertz free electron laser: propagating along a gold-ZnS-air interface and decoupling to free waves at the surface tail end // Journal of the Optical Society of America (B), 2013, v. 30, Is. 8, p. 2182-2190.
[5] Зон В.Б., Зон В.А., Клюев В.Г., Латышев А.Н., Минаков Д.А., Овчинников О.В. Визуальное наблюдение конверсии тепловых поверхностных плазмон-поляритонов в фотоны // УФН, 2011, т. 181, №3, с. 305-306.
[6] Никитин А.К., Хасанов И.Ш., Та Тху Чанг. Способ генерации непрерывного широкополосного ИК излучения с регулируемым спектром // Патент РФ на изобретение RU 2642912, Бюл. №4 от 29.01.2018 г. (прототип)
[7] 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.
[8] Герасимов В.В., Хасанов И.Ш., Никитин А.К., Та Thu Trang. Спектр термостимулированных поверхностных плазмон-поляритонов линейного образца // Оптика и спектроскопия, 2017, т. 123, №6, с. 890-899.