Фокусировка излучения новосибирского лазера терагерцового диапазона (NovoFEL) в соосный отрезок

Дифракционные оптические элементы (ДОЭ) нашли широкое применение в оптическом приборостроении ультрафиолетового, видимого и инфракрасного диапазонов [1]. Применение ДОЭ позволяет создавать оптические приборы с уменьшенными массогабаритными характеристиками и широкими функциональными возможностями [1]. Известны результаты исследования кремниевых бинарных дифракционных линз и делителей пучка [2] для управления излучением мощного монохроматического пучка ТГц-лазера на свободных электронах (ЛСЭ) [3]. В [4] приведены результаты исследования дифракционного оптического элемента, фокусирующего Гауссов пучок тера-герцового лазера на свободных электронах в квадратную фокальную область.

Такие приложения, как получение терагерцовых изображений (в том числе протяжённых объектов), абляция, генерация оптического разряда и другие, требуют фокусировки терагерцового излучения, часто – фокусировки с повышенной глубиной фокуса. В [1, 5, 6] приведены результаты исследования оптических элементов видимого и ИК-диапазонов, предназначенных для фокусировки исходного лазерного пучка в соосный отрезок («протяжённый фокус»).

В настоящей статье приведены результаты исследования кремниевого бинарного дифракционного фо-кусатора, предназначенного для фокусировки Гауссова пучка терагерцового лазера в соосный отрезок. Элемент был изготовлен с помощью реактивно-ионного травления (РИТ) поверхности пластины из высокоомного кремния с последующим нанесением антиотражающего покрытия. Исследования характеристик элемента выполнены на рабочей станции новосибирского ЛСЭ (NOVOFEL) [3], получены первые результаты.

честве исходного материала необходимо использовать нелегированный высокоомный кремний [2]. В данной работе были использованы подложки из кремния HRFZ-Si [7] с двухсторонней полировкой оптического качества диаметром 38 мм и толщиной 1 мм. Получение бинарного микрорельефа высотой 29,1 мкм на поверхности подложки производилось с помощью реактивно-ионного травления кремния (РИТ) [8]. Была использована технология формирования бинарного микрорельефа терагерцового диапазона на поверхности кремниевой пластины, ранее использованная в [2, 4] для изготовления бинарных дифракционных линз и делителей пучка терагерцо-вого диапазона. Для уменьшения френелевских потерь на отражение на элемент наносилось двустороннее антиотражающее покрытие из парилена С . Парилен С в качестве антиотражающего покрытия ранее был использован в работах [2, 4, 9, 10]. Толщина слоя парилена C с каждой стороны элемента составляла около 21 мкм.

Расчёт бинарного микрорельефа производился с использованием модификации стохастической процедуры [6], построенной на основе использования генетического алгоритма.

Для расчёта использовались следующие параметры фокусатора: диаметр апертуры – 30 мм, рабочая длина волны – 141 мкм, расстояние от плоскости установки элемента до начала соосного светового отрезка – 110 мм, использованное в расчётах значение радиуса Гауссова освещающего пучка – 9 мм, число отсчётов фазовой функции вдоль радиуса – 200, длина соосного светового отрезка – 30 мм.

Расчётная высота микрорельефа радиально-симметричного ДОЭ определяется формулой [1]

h ( r ) = Хф ( r ) / 2 л ( n - 1 ) , (1)

где n – показатель преломления материала подложки, ф ( r ) - фазовая функция ДОЭ [1]. Рассчитанная фазовая функция ф ( r ) бинарного (двухуровневого) фоку-сатора в соосный отрезок приведена на рис. 1.

Рис. 1. Фазовая функция расcчитанного фокусатора (белый цвет соответствует значению фазы π , чёрный цвет – 0)

Значение показателя преломления кремния составляет n = 3,42, таким образом, расчётная высота бинарного рельефа для длины волны 141 мкм составляет h = 29,1 мкм. Расчётное значение энергетической эффективности фокусатора незначительно варьировалось в различных сечениях светового соосного отрезка и в среднем составляло e = 19,27%.

Рис. 2. Фотография изготовленного элемента

Рис. 3. Электронная фотография центрального фрагмента изготовленного микрорельефа

• 3.    Исследование элемента с помощью новосибирского лазера на свободных электронах

• 4.    Результаты экспериментов

Оптические характеристики изготовленного ДОЭ были исследованы на одной из рабочих станций новосибирского ЛСЭ. Оптическая схема приведена на рис. 4. Лазер генерировал монохроматическое излучение с длительностью импульса 100 пс при частоте повторения 5,6 МГц. Лазерный пучок имел Гауссово распределение интенсивности. Средняя мощность излучения в экспериментах составляла десятки ватт. При выполнении экспериментов минимальная длина волны генерации лазера была ограничена величиной λ = 141 мкм, на которой и были проведены все эксперименты. Значение модового радиуса σ Гауссова освещающего пучка c распределением интенсивности I ( x , y )= C exp(–2( x ²+ y ²)/ σ²) в эксперименте отличалось от расчётного значения и составляло более 11 мм.

Прошедшее сквозь элемент излучение регистрировалось при помощи матричного микроболометри-ческого приёмника размером 320×240 элементов [11].

матричный микроболометрический

Рис. 4. Оптическая схема эксперимента на ЛСЭ

Результаты измерения распределения интенсивности ТГц-излучения в плоскостях, отстоящих на разное расстояние от фокусатора, приведены на рис. 5. Отметим, что сфокусированный пучок сохраняет близкое к Гауссовому распределение интенсивности.

В [6] отмечалось, что элементы для формирования соосного отрезка из освещающего Гауссова пучка, рассчитанные итерационной процедурой [6], обладают оптической силой. Этим и объясняется «самовоспроизведение» Гауссова пучка при распространении вдоль отрезка фокусировки (рис. 5).

5 80

I 60

5^

8 ^

a)

б)

Рис. 5. Распределение интенсивности ТГц-излучения в плоскостях, отстоящих на различное расстояние z

от плоскости установки элемента z = 110 мм (а), z = 125 мм (б), z = 140 мм (в)

Измерявшиеся в ходе оптического эксперимента в разных плоскостях значения энергетической эффективности находились в хорошем соответствии с расчётным значением (табл. 1).

Табл. 1. Измеренная энергетическая эффективность изготовленного фокусатора

Расстояние от плоскости ДОЭ до плоскости регистрации, мм	110	125	140
Энергетическая эффективность e , %	18,6	18,2	17,4

На рис. 6 приведены графики распределения интенсивности вдоль оптической оси, полученные в ходе оптического эксперимента и в результате численного моделирования. Применение изготовленного оптического элемента позволило сформировать соосное распределение интенсивности на заданном осевом отрезке 110 мм ÷ 140 мм (рис. 6).

Рис. 6. Распределение интенсивности вдоль оптической оси, сформированное изготовленным элементом ровки (что соответствует полудлине формируемого отрезка) упадёт более чем в 7 раз.

Сравнение результатов, приведённых на рис. 6, с оценкой глубины фокуса линзы с фокусным расстоянием 125 мм показывает, что применение созданного элемента позволило значительно увеличить глубину фокуса, что важно, например, при создании сканирующих систем терагерцового диапазона. Отметим также хорошую устойчивость работы элемента к отклонению модового параметра освещающего пучка от расчётного значения.

Заключение

Эксперименты показали возможность применения бинарных дифракционных элементов для формирования соосного распределения интенсивности излучения терагерцового диапазона.

Совершенствование технологии формирования кремниевого микрорельефа, в частности, увеличение числа уровней квантования микрорельефа позволит в перспективе повысить энергетическую эффективность кремниевых элементов, предназначенных для фокусировки пучков терагерцового излучения в соосные фокальные области.

Данная работа частично поддержана Минобрнауки РФ в рамках Программы повышения конкурентоспособности СГАУ на 2013–2020 г.г. и Государственного задания вузам и научным организациям в сфере научной деятельности, проект № 1879, грантом РФФИ 13-02-97007 и выполнена с использованием оборудования Центра коллективного пользования Сибирский Центр синхротронного и терагерцового излучения (ЦКП СЦСТИ).