Выбор элементов системы
Ключевыми компонентами системы являются:
Светоделители. На основе многолетнего опыта работы на пользовательской станции НЛСЭ мы пришли к выводу, что наиболее надежным и воспроизводимым способом расщепления пучка терагерцового излучения являются тонкопленочные делители из полипропиленовой пленки, позволяющие исключить эффекты многолучевой интерференции. На рис. 50 видны два светоделителя из 40-микронной полипропиленовой пленки, используемые в интерферометре Маха-Цендера. Используя отражения при углах падения, не превышающих 30 – 40 градусов, мы сможем разделить пучок накачки и пробный пучок в соотношении порядка 9:1.
|
Рис. 50 – Терагерцовый интерферометр Маха-Цендера с двумя пленочными светоделителями; справа видны проволочный и пленочный фотолитографический (выведен из пучка) поляризаторы.
|
Поляризаторы. Поляризаторы в проектируемой системе будут выполнять несколько функций. Они будут использованы в качестве ослабителей мощности пучка, а также задавать требуемую поляризацию излучения в обоих пучках. Для этих целей будут использованы (см. рис. 50) два типа поляризаторов – проволочные (с эффективностью поляризации порядка 97%) и фотолитографические (эффективность поляризации не менее 99,6%).
Зеркала. Алюминиевые и золотые зеркала в терагерцовом диапазоне имеют коэффициент отражения около 100%. Проблем с их использованием на нашей станции не наблюдалось. На рис. 50 показаны алюминиевые зеркала, напыленные на стеклянные пластинки размером 150х100 мм.
Рабочая камера и криостат. Образец будет устанавливаться в рабочей камере с четырьмя окнами, расположенными под углом 90 градусов. Как уже говорилось выше, систему можно будет собирать в двух вариантах, – когда пучок накачки и пробный пучок входят в камеру через одно окно, и через два окна под углом 90 градусов. Окончательный выбор будет сделан при испытаниях системы. По соображениям быстроты смены и охлаждения образцов выбор остановился на проточном оптическом криостате ST-100-FTIR компании Janis Infrared Laboratories, схема которого показана на рис. 51. Возможным вариантом является также вариант с криокулером.
|
Рис. 51 – Криостат ST-100-FTIR.
|
Регистраторы терагерцового излучения. Для регистрации пробного излучения в окончательном варианте установки планируется использовать криостат с кремниевым болометром фирмы Infrared Laboratories (рис 52). В процессе настройки и тестирования установки будут использованы оптоакустические детекторы, пироэлектрические приемники, а также матричные микроболометрические приемники. Сравнительный анализ эффективности всех этих приемников будет выполнен в процессе работы. При необходимости они будут прокалиброваны с помощью разработанного нами абсолютного измерителя плотности мощности излучения на основе термочувствительного интерферометра Физо (см. ниже). Выбор устройства для измерения излучения накачки будет сделан из указанных выше устройств в процессе настройки системы.
|
|
Рис. 52 – Кремниевый болометр фирмы Infrared Laboratories.
|
Болометр на горячих электронах. Поскольку по финансовым ограничениям приобретение кремниевого болометра возможно не ранее 2016 года, в пробных экспериментах будет исследована возможность регистрации пробного излучения с помощью криогенного болометра на горячих электронах, уже имеющегося в лаборатории (см. рис. 52, а характеристики в Таблице 5). Для повышения порога его чувствительности нами разрабатывается специализированный синхронный усилитель, привязанный к частоте импульсов ЛСЭ. Не исключено, что реальная чувствительность болометра на горячих электронах при его комбинации с этим синхронным детектором будет выше, чем чувствительность детекторов, не привязанных к частоте ЛСЭ.
|
Рис. 52 – Болометр на горячих электронах.
|
Таблица 5. Характеристики болометра на горячих электронах (производитель – кампания SCONTEL, Москва)
№пп
|
Характеристика
|
Значение
|
1
|
Приёмная система с детекторным блоком
|
|
Частотный диапазон
|
1-12 ТГц
|
Эквивалентная мощность шума
|
Не более 2×10-11 Вт·Гц-0.5
|
Минимальное время отклика
|
50 пс
|
Динамический диапазон
|
Не менее 500 мкВт
|
Количество каналов приёмной системы
|
1
|
Входная апертура
|
10 мм
|
Угловая апертура луча
|
1-2
|
Рабочая температура
|
Не более 5 К
|
Стабилизация и регулировка температуры
|
Наличие
|
Потери на входном окне
|
Не более 0,7 дБ
|
ИК-фильтр
|
Наличие
|
Размер чипа болометра
|
4 мм × 4 мм
|
Частотный диапазон адаптера смещения
|
1 МГц– 3.5 ГГц
|
Разъём держателя болометра
|
SMA
|
Материал гипер полусферической линзы
|
высокорезистивный кремний
|
Нагреватель
|
Наличие
|
Оптимальный частотный диапазон охлаждаемого усилителя
|
1 МГц– 3.5 ГГц
|
Шумовая температура охлаждаемого усилителя
|
Не более 10 К при 1 МГц, 5 К при 3.5 ГГц
|
Коэффициент усиления
|
Не менее 27 дБ
|
2
|
Гелиевый криостат
|
|
Время поддержания рабочей температуры приемной системы
|
Не менее 5 часов
|
Объем гелиевого резервуара
|
Не менее 0.8 л
|
3
|
Блок управления
|
|
Питание
|
220 В, 50 Гц
|
Блок питания охлаждаемого усилителя
|
Наличие
|
Параметры питания охлаждаемого усилителя
|
DC +/-6 В, 50 мА
|
Блок питания усилителя, работающего при комнатной температуре
|
Наличие
|
Параметры питания усилителя, работающего при комнатной температуре
|
DC +15В, 80мА
|
Оптимальный частотный диапазон усилителя, работающего при комнатной температуре
|
1 МГц– 4 ГГц
|
Коэффициент усиления усилителя, работающего при комнатной температуре
|
Не менее 30 дБ
|
Блок питания нагревателя
|
Наличие
|
Параметры питания нагревателя
|
DC 0-5 В, точность +/-1 мВ
|
Блок смещения болометра
|
Наличие
|
Возможность работы в режиме стабилизации по току или по напряжению блока смещения болометра
|
Наличие
|
Диапазон изменения напряжения блока смещения болометра
|
+/- 100 мВ
|
Точность установки напряжения блока смещения болометра
|
0.1 мВ
|
Диапазон изменения тока блока смещения болометра
|
+/- 2 мА
|
Точность установки тока блока смещения болометра
|
10 мкА
|
Регистратор абсолютных значений мощности терагерцового пучка. Стандартного (а тем более сертифицированного) оборудования, позволяющего выполнять такие измерения не существует. Использование для этой цели самодельных калориметров практически невозможно. Они громоздки, время измерения составляет не менее 5 – 10 минут. Они не могут реагировать даже на относительно медленные вариации мощности источника излучения. Оперативные измерения при таких условиях не реалистичны. Для проведения абсолютных измерений мы изготовим модифицированный вариант описанного нами ранее термочувствительного интерферометра Физо, который будет стационарно размещен на вход системы и снабжен смещаемым зеркалом для ввода излучения.
Для уменьшения шумов в системе будут использованы поглотители излучения, конструкция которых будет разработана на следующих этапах.
|
