СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗНАКА ПОЛЯРИЗАЦИИ ЦИРКУЛЯРНО И ЭЛЛИПТИЧЕСКИ ПОЛЯРИЗОВАННОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
METHOD FOR DETERMINING POLARIZATION SIGN OF CIRCULAR AND ELLIPTICALLY POLARIZED LASER RADIATION

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано для определения поляризационных характеристик лазерного излучения, в частности знака поляризации циркулярно и эллиптически поляризованного лазерного излучения.
Под знаком поляризации циркулярно и эллиптически поляризованного лазерного излучения понимается направление вращения вектора электрического поля в циркулярно и эллиптически поляризованном лазерном излучении.
Известен способ определения знака поляризации циркулярно и эллиптически поляризованного лазерного излучения, в котором анализируемое излучение сначала преобразуется при помощи четвертьволновой пластины в линейно поляризованное, а затем, проходя через анализатор, попадает на фотоэлемент, который измеряет его интенсивность. Построенная в полярной системе координат диаграмма распределения интенсивности от угла поворота анализатора имеет форму «восьмерки». В зависимости от того, в каких квадрантах системы координат расположена диаграмма, определяют знак поляризации [Физический практикум. Электричество и оптика. Изд. 2-е. Под ред. проф. В.И. Ивероновой. М.: Наука, 1968]. Известен также способ определения знака поляризации циркулярно и эллиптически поляризованного лазерного излучения, в котором излучение лазера направляют на фоточувствительный элемент в виде кристалла ниобата лития, оснащенный с облучаемой стороны плоскими электродами, полярность электрического сигнала между которыми указывает на знак поляризации [Казанский П.Г., Прохоров А.М., Черных В.А. Прямое обнаружение циркулярного фототока в ниобате лития // Письма в ЖЭТФ. 1985. Т. 41, Вып. 9. С. 370-372].
Недостатками указанных способов являются длительность определения знака поляризации в первом случае и использование в том и другом случаях объемных дорогостоящих оптических кристаллов, которые работают в относительно узких спектральных диапазонах.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному способу является способ определения знака поляризации циркулярно и эллиптически поляризованного лазерного излучения, включающий воздействие анализируемым излучением на снабженный двумя электродами пленочный фоточувствительный элемент, расположенный облучаемым межэлектродным участком наклонно к падающему лучу лазера так, что плоскость падения луча на пленку параллельна электродам, измерение электрического сигнала между электродами и определение знака поляризации по полярности измеренного электрического сигнала, в котором в качестве фоточувствительного элемента используют серебро-палладиевую резистивную пленку [Михеев Г.М., Саушин А.С., Зонов Р.Г., Стяпшин В.М. Спектральная зависимость циркулярного фототока в серебро-палладиевых резистивных пленках // Письма в ЖТФ. 2014. Т. 40, №10. С. 37-45].
Недостатком указанного способа является невозможность определения знака поляризации в ультрафиолетовом диапазоне длин волн.
Задачей изобретения является разработка способа определения знака поляризации циркулярно и эллиптически поляризованного лазерного излучения с возможностью работы в ультрафиолетовой области спектра.
Сущность изобретения заключается в том, что в отличие от известного способа определения знака поляризации циркулярно и эллиптически поляризованного лазерного излучения, включающего воздействие анализируемым излучением на снабженный двумя электродами пленочный фоточувствительный элемент, расположенный облучаемым межэлектродным участком наклонно к падающему лучу лазера так, что плоскость падения луча на пленку параллельна электродам, измерение электрического сигнала между электродами и определение знака поляризации по полярности измеренного электрического сигнала, в качестве фоточувствительного элемента используют нанокристаллическую пленку селенида меди толщиной от 50 до 500 нм.
Для получения максимального коэффициента фотовольтаического преобразования нанокристаллическую пленку селенида меди располагают к лучу лазера под углом ±(55±10)°.
Техническим результатом является обеспечение возможности работы способа определения знака поляризации циркулярно и эллиптически поляризованного лазерного излучения в ультрафиолетовой области спектра.
Фиг. 1 показывает способ определения знака поляризации циркулярно и эллиптически поляризованного лазерного излучения по данному изобретению: 1 - нанокристаллическая пленка селенида меди; 2 - электроды; 3 - стеклянная подложка; 4 - электроизмерительное устройство. Здесь σ - плоскость падения; k - волновой вектор падающего излучения; n - нормаль к поверхности пленки; α - угол падения; «+» и «-» - положительный и отрицательный входы электроизмерительного устройства соответственно.
e
o
o
e
Фиг. 2 показывает схему наблюдения электрического сигнала в нанокристаллической пленке селенида меди в зависимости от поляризации падающего лазерного излучения: 1 - нанокристаллическая пленка селенида меди; 2 - электроды; 3 - стеклянная подложка; 5 - осциллограф; 6 - четвертьволновая пластина. Здесь «+» и «-» - положительный и отрицательный входы осциллографа соответственно; σ - плоскость падения; n - нормаль к поверхности пленки; k, Е - соответственно волновой и электрический векторы падающего излучения (k⊥Е); α - угол падения, γ - угол поворота четвертьволновой пластины (угол между «медленной» осью четвертьволновой пластины n и осью ξ), определяющий направление вращения вектора Е и эллиптичность поляризации на выходе четвертьволновой пластины (ось ξ лежит в плоскости σ, ξ⊥k, n - «быстрая» ось четвертьволновой пластины, n⊥n).
Фиг. 3 показывает аппроксимированную зависимость коэффициента преобразования мощности падающего лазерного излучения в электрический сигнал, возникающий между электродами, от угла γ, полученную на длине волны 266 нм при α=50° и указанной на Фиг. 2 схеме подключения электродов к входам осциллографа. Верхняя вставка - эллипсы поляризации, соответствующие различным углам γ.
Способ определения знака поляризации циркулярно и эллиптически поляризованного лазерного излучения по данному изобретению осуществляется следующим образом. Анализируемое лазерное излучение с циркулярной или эллиптической поляризацией направляется на поверхность нанокристаллической пленки селенида меди (Фиг. 1). Пленка снабжена двумя электродами и расположена облучаемым межэлектродным участком наклонно к падающему лучу лазера так, что плоскость падения параллельна электродам. Вследствие поверхностного фотовольтаического эффекта воздействие циркулярно или эллиптически поляризованного лазерного излучения на поверхность пленки приводит к генерации однополярного электрического сигнала (фотоэдс) между электродами, полярность которого регистрируется электроизмерительным устройством. Левый от плоскости падения электрод, если смотреть в направлении луча, приобретает положительный потенциал относительно правого электрода при положительном угле падения (α>0 на Фиг. 1) и отрицательном знаке поляризации лазерного излучения, а так же при отрицательном угле падения и положительном знаке поляризации лазерного излучения. Этот же электрод приобретает отрицательный потенциал относительно правого электрода при положительном угле падения и положительном знаке поляризации лазерного излучения, а также при отрицательном угле падения и отрицательном знаке поляризации лазерного излучения. При этом за положительный знак поляризации принимается направление вращения вектора электрического поля в циркулярно и эллиптически поляризованном лазерном излучении по часовой стрелке при наблюдении навстречу лазерному лучу, а за отрицательный - направление вращения указанного вектора против часовой стрелки при той же схеме наблюдения.
Нанокристаллическую пленку селенида меди формируют на стеклянной подложке в едином вакуумном цикле методом термического испарения в режиме взрывной кристаллизации [Когай В.Я., Вахрушев А.В., Федотов А.Ю. Спонтанная взрывная кристаллизация и фазовые превращения в наноразмерной двухслойной пленке селен / медь // Письма в ЖЭТФ. 2012. Т. 95, Вып. 9. С. 514-517].
В качестве электроизмерительного устройства можно использовать осциллограф или любой другой регистратор разнополярного импульсного напряжения, который, например, может состоять из усилителя с широкой полосой пропускания, схемы хранения-выборки и вольтметра, предназначенного для измерения напряжения положительной и отрицательной полярности.
В случае падения на нанокристаллическую пленку селенида меди импульсного лазерного излучения с энергией Е и длительностью импульсов τ в пленке возникает однополярная импульсная фотоэдс, которая характеризуется экстремальным значением U электрического сигнала, возникающего между электродами. Поскольку для нанокристаллической пленки селенида меди зависимость величины U от мощности падающего лазерного излучения носит линейный характер, количественной мерой эффективности преобразования мощности падающего лазерного излучения в электрический сигнал, возникающий между электродами, может служить коэффициент фотовольтаического преобразования η, который можно определить следующим образом:
η=Uτ/E.
Заметим, что в соответствии с данной формулой коэффициент фотовольтаического преобразования может принимать как положительные, так и отрицательные значения в зависимости от полярности регистрируемого электрического сигнала.
Нами экспериментальным путем установлено, что знак коэффициента фотовольтаического преобразования в нанокристаллических пленках селенида меди зависит от характеристик поляризации падающего лазерного излучения, которые можно плавно изменять вращением четвертьволновой пластины 6 (Фиг. 2). Это демонстрируется кривой (Фиг. 3), полученной при облучении нанокристаллической пленки селенида меди толщиной 300 нм ультрафиолетовым лазерным излучением с длиной волны 266 нм. При повороте четвертьволновой пластины, через которую проходит линейно поляризованное в плоскости σ излучение лазера, на определенный угол γ изменяется эллиптичность поляризации и знак поляризации излучения на ее выходе. Например, в пределах углов γ от nπ до (n+1)π/2, где n=0, 1, 2, …, вращение вектора напряженности электрического поля, выходящего из четвертьволновой пластины лазерного излучения, происходит против часовой стрелки при наблюдении навстречу лазерному лучу, и знак поляризации является отрицательным. В эксперименте этому случаю соответствует положительный знак коэффициента фотовольтаического преобразования или положительная полярность фотоэдс, индуцированной в нанокристаллической пленке селенида меди. В пределах углов γ от (n+1)π/2 до (n+1)π вращение вектора напряженности электрического поля лазерного излучения, выходящего из четвертьволновой пластины, происходит по часовой стрелке при тех же параметрах наблюдения, и знак циркулярной поляризации является положительным. В эксперименте этому случаю соответствует отрицательный знак коэффициента фотовольтаического преобразования или отрицательная полярность фотоэдс, индуцированной в нанокристаллической пленке селенида меди.
Проведенные эксперименты показали, что при толщине нанокристаллической пленки селенида меди меньше 50 нм и больше 500 нм электрический сигнал, возникающий между электродами, существенно ослабевает.
Таким образом, при воздействии циркулярно или эллиптически поляризованным лазерным излучением на поверхность нанокристаллической пленки селенида меди толщиной от 50 до 500 нм, расположенной облучаемым межэлектродным участком наклонно к падающему пучку лазера так, что плоскость падения луча на пленку параллельна электродам, между данными электродами возникает электрический сигнал, полярность которого зависит от знака поляризации излучения. Это позволяет однозначно определять знак поляризации падающего лазерного излучения по полярности регистрируемого электрического сигнала.
Также экспериментально установлено, что при воздействии циркулярно или эллиптически поляризованным лазерным излучением на нанокристаллическую пленку селенида меди максимальный коэффициент фотовольтаического преобразования в ней достигается при углах падения ±(55±10)°.