Оптические элементы для управления пучком ЛСЭ
В рамках данного проекта важную роль играют+ фокусирующие элементы (рис. 39), без которых было бы невозможно реализовать ни одну квазиоптическую схему.
|
Рис. 39 - Оптические элементы, использовавшиеся для управления излучением ЛСЭ и формирования квазиоптических систем. На линзе из TPX (вверху слева) виден натек расплавившегося под действием пучка материала. Металлическое френелевское зеркало не подвержено разрушению мощным излучением, но усложняет конфигурацию оптических систем. Полипропиленовые френелевские линзы на длину волны 130 мкм толщиной 0.8 мм хорошо стоят в пучке излучения ЛСЭ, однако даже излучение второй гармоники ЛСЭ, будучи сфокусированным на поверхность линзы, приводит к ее повреждению (правая фотография, подробности в тексте)
|
Стандартные линзы из пропускающего как видимое, так и терагерцовое излучение пластика TPX производства компании ТИДЕКС, Санкт-Петербург, удобны при юстировке системы, но страдают двумя недостатками. Во-первых, они сильно нагреваются и плавятся в пучке ЛСЭ (см. фотографию), во-вторых, как все одиночные линзы, имеют большие аберрации. Разработка оптических элементов, адаптированных к работе в мощных потоках терагерцового излучения, началась несколько лет назад [46]. Это параболические и френелевские зеркала и френелевские линзы. Затем были разработаны френелевские линзы с относительным отверстием 1:1 и фокусным расстоянием 80 мм [47], что позволило существенно улучшить качество фокусировки изображений в терагерцовом диапазоне.
 
|
|
Рис. 40 - Распределение интенсивности в перетяжках гауссова пучка ЛСЭ, полученных с помощью двух френелевских линз. Слева при f = 180 мм, справа при f = 80 мм
|
На рис. 40 показаны распределения интенсивности в перетяжках гауссова пучка, сформированных длиннофокусной и короткофокусной френелевскими линзами. Излучение ЛСЭ фокусировалось медным внеосевым параболическим зеркалом с f = 250 мм. Френелевские линзы устанавливались там, где диаметр гауссова пучка расширялся до 60 мм (по основанию). При таких параметрах расчетное значение дифракционного пятна составляет около 0.25 мм для короткофокусной линзы и 0.6 для длиннофокусной. Экспериментальные значения ширины на половине высоты составили 0.3 мм для короткофокусной линзы и 0.8 мм для длиннофокусной, то есть оказались близкими к дифракционному пределу. Измерения проводились при длине волны 130 мкм с помощью матричного микроболометрического приемника (см. ниже).
Системы визуализации терагерцового излучения
Системы для визуализации терагерцового излучения являются ключевыми для выполнения данного проекта. Мы провели сравнительное исследование ранее созданных четырех систем визуализации с точки зрения их применения к записи голограмм, томограмм, спеклограмм и тальботовских изображений. Ключевыми вопросами были их пространственное и временное разрешение и динамический диапазон.
|
Рис. 41 - Схемы устройств для получения изображений в терагерцовом диапазоне. (a) Оптическая система (ОС) для записи теплового изображения терагерцового пучка с помощью ИК термографа или температурно-чувствительного люминесцентного экрана (ТЧЛЭ). (б) Изображение терагерцового пучка, записанное с помощью ТЧЛЭ с использованием сменной маски и линзы; желтыми символами “FEL” показан профиль одной из масок, желтый прямоугольник показывает физический размер матричного микроболометрического приемника ММБП. (в) ОС для регистрации терагерцового изображения с помощью термочувствительного интерферометра Физо, работающего в видимом диапазоне. Замена стеклянной пластинки на ММБП в нижней ОС или, что тоже самое, ТЧЛЭ в верхней ОС, позволяет записывать терагерцовые изображения с помощью ММБП
|
Четыре изображающих устройства были испытаны в качестве детекторов мощного терагерцового излучения во время оптических экспериментов. По способу получения изображений их можно разделить на две группы – прямые и непрямые. Первая группа состоит только из одного устройства, матричного микроболометрического приемника (ММБП). Данный приемник чувствителен непосредственно к терагерцовому излучению [48, 49]. Вторая группа содержит устройства (термограф, термолюминесцентный экран, термочувствительный интерферометр), которые используют тепловой эффект для детектирования излучения. Для всех изображающих систем из данной группы общим является “тепловой экран”, который служит непосредственным детектором излучения. Энергия излучения, которая поглощается экраном, визуализируется с помощью вторичного записывающего приемника. Принципы работы таких приемников могут сильно отличаться между собой. Все вышеупомянутые изображающие системы схематически показаны на рис. 41.
Термограф ближнего ИК-диапазона
Термограф, охлаждаемый жидким азотом, который чувствителен к ближнему инфракрасному излучению (ближний ИК) [50], в комбинации с листком бумаги, служащим в качестве экрана, был первым устройством, с помощью которого удалось получить изображение терагерцового излучения Новосибирского ЛСЭ [51]. Он имеет высокую чувствительность (около 0.1 К) к нагреву поверхности и записывает изображения с большой скоростью (25 кадров в секунду). Данное устройство очень удобно использовать при юстировке квазиоптических терагерцовых систем. Мы протестировали набор экранов, которые непрозрачны для излучения в области спектральной чувствительности матрицы термографа (2.5 – 3 мкм) и имеют низкую теплопроводность. Экраны ТЧЛЭ оказались наилучшими “тепловыми экранами” для термографа.
Существуют две основные проблемы, которые ограничивают применение термографа для записи изображений. Первая - малый размер матрицы термографа –  пикселей, что не обеспечивает хорошего пространственного разрешения, особенно, когда невозможно разместить термограф вблизи объекта, как в конфигурации, показанной на рис. 41, а. Другой недостаток – интенсивное фоновое излучение, присущее ближнему ИК-диапазону. По этой причине в тепловых изображениях, записанных с помощью термографа, содержится фоновое тепловое излучение и случайное излучение от нагревателей, ламп, и даже от людей, находящихся вблизи экспериментальной установки. Все это проявляется на рис. 42, а, где на изображении четко видны очертание терагерцового пучка, собственное излучение объектов и рефлексы от различных источников.
Термолюминесцентный экран
Одним из наиболее эффективных устройств для визуализации терагерцовых изображений оказались “тепловые люминесцентные экраны” (“thermal image plates”) производства Macken Instruments Inc. [51, 52], разработанные для ближнего и среднего инфракрасного диапазона. Принцип работы ТЧЛЭ ясен из рис. 42 ,а. Люминесцентный экран (тонкая пленка с люминофором, опирающаяся на алюминиевую пластинку) освещается ультрафиолетовым светом ртутной лампы. Люминесценция записывается с помощью видеокамеры. В первых экспериментах использовалась камера Sony. В настоящее время изображения записываются с помощью CCD камеры PI Max2 Princeton Instruments с разрешением 1024x1024 пикселей.
|
Рис. 42 - Изображения терагерцового лазерного пучка. (a) Тепловое изображение пучка ЛСЭ на поверхности полипропиленовой линзы Френеля, записанное с помощью термографа ближнего ИК. (б) Тепловое изображение пучка на пластинке #7, записанное с помощью CCD камеры PI Max2, с использованием ТЛЭ. Оба изображения были получены напрямую, в отсутствие линзы между камерой и объектом. Изображение (в) показывает изображение пучка в фокальной плоскости френелевской линзы с фокусным расстоянием f = 80 мм, записанное с помощью ММБП. Все изображения представлены в одинаковом масштабе
|
Облучение ТЛЭ терагерцовым излучением приводит к нагреву экрана, что приводит к температурному тушению люминесценции. Появляющаяся картина выглядит как темное пятно на светлом фоне люминесценции. Для восстановлении изображения требуется вычесть попиксельно из полученной картины картину люминесценции необлученного экрана. Наши исследования показали, что динамический диапазон ТЧЛЭ, определяемый отношением сигнал-шум, невелик и равен 20-30. Далее мы будем называть данное устройство как температурно-чувствительный люминесцентный экран (ТЧЛЭ), т.к. это название более точно характеризует принцип его работы.
Таблица 3 Характеристики экранов Macken Instruments, Inc.: данные производителя [31]
|
Номер экрана
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
8
|
Время отклика (с)
|
0.03
|
0.03
|
0.03
|
0.03
|
0.06
|
0.15
|
0.2
|
1.0
|
Разрешение
(линий/мм)
|
12
|
12
|
12
|
8
|
4
|
2
|
4
|
0.64
|
Диапазон чувствительности (отн. ед.)1
|
60–200
|
30–100
|
15–50
|
7.5–25
|
3.3–11
|
1.5–5
|
0.4–2.4
|
0.06–0.4
|
Набор ТЧЛЭ содержит 8 тепловых экранов, характеристики которых представлены в табл. 3. Экраны имеют довольно большой размер,3х3 дюйма, что удобно для различных схем получения изображений. Отклик экрана #8 прямо пропорционален величине нагрева вплоть до 50 % тушения люминесценции [53]. Т.к. материал люминесцирующего экрана одинаков у всех экранов, эта зависимость должна выполняться для оставшихся семи экранов. Чувствительность экранов к терагерцовому излучению значительно меньше, чем в средней ИК-области, т.к. люминесцирующий слой практически прозрачен в терагерцовом диапазоне, и почти все излучение отражается от алюминиевой подложки. Относительные чувствительности термографа и ТЧЛЭ были оценены с помощью системы, показанной на рис. 41, a. Меняя экраны, экспериментально было определено, что изображение терагерцового пучка было вполне различимо при использовании экрана #7 (см. рис. 42, б), а при наблюдении термографом мы могли видеть пучок даже на экране #4. Таким образом, чувствительность термографа оказалась в десять раз выше, чем ТЧЛЭ.
Матричный микроболометрический приемник
Матричный микроболометрический приемник (ММБП) на основе оксида ванадия был первоначально разработан для наблюдения в среднем ИК-диапазоне [54] и впоследствии адаптирован для терагерцового диапазона [55]. В первых экспериментах мы использовали матрицу  элементов с германиевым окном при размере пикселя 51 мкм. Она имеет широкий динамический диапазон, равный 4000, и чувствительность 33 нВт/пиксел при частоте излучения 2.3 ТГц [51]. Чувствительность оказалась очень высокой для терагерцового диапазона, но все же в 200 раз меньше, чем чувствительность этого же прибора в средней ИК-области. Причина этого выяснилась после измерений поглощения терагерцового излучения конструктивными материалами матрицы. Оказалось, что используемые в конструкции тонкие слои нитрида кремния и оксида ванадия практически не поглощают излучение при  мкм [55].
|
HbcРис. 43 - Чувствительность матричных микроболометрических приемников (ММБП) L и S типов в зависимости от поляризации падающего терагерцового излучения при мкм. Верхний график (2) для L-ММБП соответствует элементам с добавочным металлическим покрытием
|
Для увеличения поглощения и выяснения механизма чувствительности ММБП к терагерцовому излучению были исследованы два опытных приемника с разрешением  . Одна матрица (см. рис. 43, вверху) содержит микроболометры L-типа, в которых металлические контакты с островками оксида ванадия размещены далеко друг от друга и расположены перпендикулярно к ножкам микроболометра. Матрица имеет  стандартных чувствительных элементов без добавления тонкого металлического поглотителя (1), в то время как другие  элементов (2) имеют дополнительный тонкий металлический слой с удельным сопротивлением 70  , оптимальным для поглощения терагерцового излучения. Расчетная величина поглощения терагерцового излучения металлическим поглотителем при мкм равна 20 %. Измеренная чувствительность микроболометров с дополнительным металлическим слоем оказалась выше, чем у стандартного приемника (см. верхний график справа на рис. 7). К тому же, мы обнаружили, что чувствительность сильно зависит от угла поляризации падающего излучения. Другая матрица содержит S-тип микроболометров, у которых металлические контакты с островками оксида ванадия размещаются близко друг другу и параллельны ножкам микроболометров (рис. 43, внизу). Этот тип микроболометров более чувствителен к поляризации излучения. Данные эксперименты продемонстрировали, что эффект антенны возможно является основным механизмом нагрева микроболометров терагерцовым излучением.
Микроболометрический приемник использовался в двух режимах. В первом случае он использовался для регистрации с помощью дополнительной оптической системы изображений объектов, облучаемых терагерцовым излучением. В данном режиме, например, наблюдались спекл-картины различных объектов в терагерцовой области [56, 57]. Этот режим похож на работу термографа (см. рис. 41, а). Отличие состоит в том, что с помощью термографа мы записываем тепловую картину на экране, а ММБП напрямую детектируем рассеянное и отраженное терагерцовое излучение. Второй режим можно назвать “терагерцовой радиоскопией”. Одна из таких схем показана справа на рис. 41, в, где лазерное излучение проходит через маску и попадает (напрямую или через изображающую систему) непосредственно на приемник.
ММБП довольно чувствителен и имеет довольно низкий порог разрушения по интенсивности, поэтому в большинстве экспериментов падающее лазерное излучение приходилось ослаблять на несколько порядков величины. Например, при записи фокального пятна от линзы Френеля (рис. 42, в) пучок лазера был ослаблен в 5000 раз. Итак, будучи одним из лучших изображающих детекторов в терагерцовом диапазоне, ММБП имеет два недостатка. Маленький физический размер матрицы,  мм, накладывает ограничения на использование ММБП в схемах, требующих записи изображений большого размера. Другая проблема – это многолучевая интерференция терагерцового излучения, возникающая как на входном кремниевом окне, так и в вакуумном зазоре между окном и самой матрицей. Так как рельеф матрицы значительно ниже длины волны терагерцового излучения, то ее поверхность фактически является зеркалом. Поскольку при изготовлении приемника строгая параллельность вакуумного зазора не задается, это может приводить к возникновению неоднородности чувствительности вдоль матрицы, особенно при облучении матрица пучком с малой угловой расходимостью.
Термочувствительный интерферометр
Хотя интерферометр Фабри-Перо используется для измерения температуры подложки в технологических системах в течение многих лет [58, 59], термооптический эффект в плоскопараллельной пластинке, насколько нам известно, был впервые использован для двумерной визуализаций потока тепла в аэродинамической трубе интерферометрическим методом в работе [60]. В работе [61], стеклянная пластинка интерферометра Физо, работающего в видимом спектральном диапазоне, была использована для детектирования терагерцового излучения. Вообще говоря, данный метод может быть использован для регистрации любого излучения, для которого пластинка непрозрачна.
На рис. 41, в показана схема термочувствительного интерферометра (ТЧИ), созданного для регистрации распределения плотности мощности излучения. Плоский волновой фронт видимого света ( нм) падает на плоскопараллельную пластинку из стекла К8 (аналог стекла ВК7). Излучение, отраженное от передней и задней поверхности, создает интерференционную картину на экране (матовая лавсановая пленка). Устройство работает в режиме пропускания. Камера CCD начинает запись видео до облучения пластинки терагерцовым излучением и продолжает запись в течение нескольких секунд после открытия затвора. Полезная длительность записи ограничена теплопроводностью в стекле и, в зависимости от пространственной частоты изображения терагерцового излучения, составляет от одной до десяти секунд (более детально см. [61]). На рис. 44 представлены четыре видеокадра терагерцового “видеофильма”, записанного с помощью камеры PI Max2 Princeton Instruments (скорость съемки 17 кадров в секунду) при облучении стеклянной пластинки (без использования оптики) терагерцовым излучением ЛСЭ, которое до попадания на пластинку проходило расстояние один метр в воздухе.
ТЧИ как визуализатор потока излучения имеет преимущество, которое становится очевидным при простом объяснении принципа работы ТЧИ. Большинство устройств для получения изображений чувствительны к температуре поверхности, которая зависит как от поглощенной энергии, так и от теплопроводности материала, и не могут быть использованы в качестве “абсолютного измерителя” без дополнительной, иногда сложной, калибровки. ТЧИ напрямую чувствителен к изменению оптического пути, который в момент времени  имеет вид [61]
|
Рис. 44 - Интерференционные картины, полученные с помощью термочувствительного интерферометра Физо, записанные на ПЗС камере PI Max2 с частотой 17 кадров в секунду. Стеклянная пластинка облучалась терагерцовым пучком ЛСЭ, прошедшим один метр в воздухе. Размер изображения составляет  мм. Первый кадр показывает, что начальная разность фаз по полю зрения меньше  . Длина волны терагерцового излучения 130 мкм, длина волны пробного излучения 656 нм
|
 ,
|
(1)
|
где элемент оптического пути зависит от локальной температуры  ,
  ,
|
(2)
|
и двух параметров материала, коэффициента расширения материала  и температурной зависимости коэффициента преломления  ,
 .
|
(3)
|
Первая квадратная скобка в уравнении (1) является константой для материала пластинки интерферометра, в то время как вторая скобка пропорциональна энергии, аккумулированной в элементе объема. Более тщательный анализ приводит к выражению для распределения плотности мощности излучения P как функции числа интерференционных полосой N в точке {x, y}
|
(4)
|
где  и  - плотность и удельная теплоемкость стекла,  - длина волны видимого излучения. Используя табличные данные для оптических стекол, легко вычислить коэффициент чувствительности К для стекла К8
  .
|
(5)
|
Номер полосы N является здесь реальным числом. Чем больше чувствительность системы, тем меньше величина K. Значение K некоторых пластиков в 10 раз меньше, чем для стекла. Поэтому, если стекло заменить пластиком, может достичь чувствительности около 0.5 Дж/на полосу.
Из приведенных выражений следует, что термочувствительный интерферометр является абсолютным измерителем мощности, не требующим калибровки. Доля излучения, отражающегося от стеклянной поверхности, которое легко определяется экспериментально, необходимо добавить к плотности мощности, вычисленной из (4). Интерферограммы на рис. 44 показывают, что пучок ЛСЭ имеет гауссову форму. Принимая во внимание коэффициент отражения (в нашем случае равный 0.16 [62]), можно вычислить, что плотность мощности пучка в максимуме распределения равна 6.1 Вт/см2, а полная мощность пучка равна примерно 30 Вт. Следует особо подчеркнуть, что при обработке интерферограмм проблемы определения знака скачка фазы (unwrapping problem) не возникает, поскольку априорно известно, что она в течение измерений может только возрастать.
|
