Методы создания и экспериментального исследования дифракционных оптических элементов ТГц диапазона Володкин Борис Олегович

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА 1. Разработка и исследование метода изготовления кремниевых бинарных дифракционныхоптических элементов терагерцового диапазона 17

1.1 Обзор существующих процессов анизотропного травления кремния 17

1.2 Разработка метода изготовления кремниевых дифракционных оптических элементов 25

Выводы к первой Главе 30

ГЛАВА 2. Создание и исследование силовых бинарных кремниевых дифракционных линз, делителей пучка 31

2.1 Исследование бинарных дифракционных линз 33

2.2 Исследование бинарных дифракционных делителей пучка

Выводы к второй Главе 39

ГЛАВА 3. Фокусировка тгц излучения в заданные двух- и трехмерные области 40

3.1 Создание и исследование фокусатора гауссова пучка в квадрат 40

3.2 Фокусировка ТГц излучения в область в форме соосного отрезка 45

Выводы к третьей Главе 52

ГЛАВА 4. Создание и исследование элементов кремниевой дифракционной оптики для управления поперечно-модовым составом мощных терагерцовых пучков 53

4.1 Создание и исследование элементов кремниевой бинарной оптики, формирующих терагерцовые лазерные пучки c заданным поперечно-модовым составом 53

4.2 Создание и иccледование ДОЭ, формирующих терагерцовые пучки с топологическим зарядом 65

4.3 Генерация поверхностных плазмон-поляритонов с помощью закрученных пучков 80

Выводы к четвертой Главе 84

Заключение 85

Список литературы: 86

• Разработка метода изготовления кремниевых дифракционных оптических элементов
• Исследование бинарных дифракционных делителей пучка
• Фокусировка ТГц излучения в область в форме соосного отрезка
• Создание и иccледование ДОЭ, формирующих терагерцовые пучки с топологическим зарядом

Введение к работе

Актуальность. Терагерцовая область электромагнитного спектра, лежащая в диапазоне от 0,3 до 20 ТГц (10 – 600 см^-1, 1 мм – 15 мкм), в настоящее время представляет большой интерес для исследователей, работающих в различных разделах химии, физики, биологии, материаловедения и медицины. Данный спектральный диапазон до относительно недавнего времени был слабо освоен в связи со сложностью создания как источников достаточно мощного терагерцового излучения, так и приёмников, способных зарегистрировать излучение в данной спектральной области.

Бурное развитие техники ТГц диапазона, а именно появление новых способов регистрации, новых источников когерентного излучения, в том числе мощных, таких, как лазеры на свободных электронах (ЛСЭ), требует развития и совершенствования соответствующей элементной базы для управления характеристиками пучков терагерцового излучения. Лазеры на свободных электронах (ЛСЭ) – это приборы, преобразующие энергию ультрарелятивистских электронов (т. е. электронов, энергия которых во много раз превышает их энергию покоя 0,511 МэВ = 0,8*10^-13 Дж), в энергию электромагнитного излучения. В данной работе в качестве источника когерентного терагерцового излучения использовался Новосибирский лазер на свободных электронах (НОВОФЭЛ, г. Новосибирск), являющийся на данный момент самым мощным в мире источником терагерцового излучения.

Такие приложения терагерцового лазерного излучения, как построение телекоммуникационных и лидарных систем ТГц-диапазона, формирование и исследование непрерывного газового разряда в газах при атмосферном давлении, недеструктивная абляция биологических образцов, изготовление наночастиц и гидрозолей, исследование акустооптического эффекта, формирование поверхностных плазмон-поляритонов требуют решения задачи управления амплитудно-фазовым распределением в сечении пучка терагерцового лазера. Ранее в работах таких исследователей, как И.Н. Сисакян, В.А. Сойфер, М.А. Голуб, F. Wyrowski, F.M. Dickey и др. были продемонстрированы функциональные возможности дифракционных оптических элементов (ДОЭ) для решения задачи управления амплитудно-фазовым распределением излучения лазеров видимого и инфракрасного диапазонов. Известны работы по созданию отражающих и пропускающих (полимерных и кремниевых) ДОЭ для терагерцового диапазона, однако абсолютное большинство этих работ (E.D. Walsby, И. Г. Пальчикова) посвящено созданию линз и дифракционных решеток, тогда как эффективное применение когерентного терагерцового излучения в прикладных и фундаментальных задачах требует создания ДОЭ с более широкими функциональными возможностями – фокусировка в заданные двух- и трехмерные области, управление поперечно-модовым составом пучка, формирование пучков с орбитальным угловым моментом (ОУМ) и т.д.

В частности, для повышения эффективности терагерцовых сканирующих систем актуальной задачей является фокусировка терагерцового лазерного пучка с большой глубиной фокусировки (или фокусировка в область в форме соосного отрезка), что особенно важно для сканирования объектов со сложной трехмерной топологией. Применение терагерцового лазерного излучения для абляции образцов определяет важность создания элементов для фокусировки мощного терагерцового лазерного пучка в двумерную область с равномерным распределением интенсивности. Большой интерес к телекоммуникационным и лидарным приложениям терагерцового диапазона определяет актуальность создания элементов, формирующих мощные терагерцовые лазерные пучки с заданным поперечно-модовым составом. Особый интерес в этом смысле представляет формирование мощных терагерцовых пучков с орбитальным угловым моментом (ОУМ), так как из результатов исследований в оптическом

диапазоне известно, что пучки с ОУМ устойчивы к распространению в неоднородных средах, а также могут обладать свойствами самовосстановления. Актуальной является задача формирования мощных терагерцовых пучков с заданным амплитудно-фазовым распределением для возбуждения поверхностных плазмон-поляритонов терагерцового диапазона. Актуальность этой задачи определяется перспективами использования плазмон-поляритонов и их свойств для создания устройств интегральной оптики ТГц диапазона.

В качестве материала подложки пропускающих ДОЭ для управления мощными пучками ТГц излучения необходимо использовать материалы с высокой лучевой стойкостью и низким поглощением в терагерцовой части спектра. Наиболее подходящим материалом является высокоомный кремний зонной плавки HRFZ-Si. Для формирования микрорельефа на кремниевой поверхности традиционно используются методы фотолитографии с последующим травлением через маскирующий слой, однако, создание с помощью данных методов ступенчатого микрорельефа с числом уровней квантования (ступеней) более двух является достаточно технически сложной и недешевой процедурой. В общем случае уменьшение числа уровней квантования микрорельефа приводит к снижению энергетической эффективности и качества формируемого распределения. Однако, как это было ранее показано при создании ДОЭ оптического диапазона (работы Л.Л. Досколовича, F. Wyrowski), в ряде случаев применение бинарных элементов позволяет решить задачу формирования заданного распределения с требуемым качеством.

Для решения задачи создания силовой кремниевой терагерцовой оптики целесообразным, таким образом, является 1) разработка подхода к созданию бинарных (двухуровневых) элементов на основе применения методов расчета и оптимизации бинарной оптики, ранее разработанных для создания бинарных дифракционных оптических элементов видимого и инфракрасного диапазонов (в тех случаях, когда методы расчета бинарных элементов позволяют получить приемлемое решение), и однократного травления поверхности кремниевой подложки; 2) разработка нелитографических методов формирования многоуровневого микрорельефа, не требующих применения сложных технологических операций для формирования микрорельефа с числом уровней больше двух (например, лазерной абляции, ранее использованной для создания алмазной дифракционной оптики ИК-диапазона). Данная работа посвящена созданию элементов силовой бинарной оптики терагерцового диапазона с помощью фотолитогрифии и плазмохимического травления кремния. В Приложении приведены первые результаты формирования и исследования микрорельефа четырехуровневой дифракционной кремниевой линзы, изготовленной с помощью технологии лазерной абляции, разработанной в ИОФ РАН (г. Москва).

Цель диссертационной работы:

Создание и исследование элементов пропускающей силовой оптики, предназначенных для фокусировки в заданные области и управления поперечно-модовым составом излучения мощного терагерцового лазера.

Для достижения поставленной в работе цели были поставлены следующие задачи:

1. Разработка методов изготовления элементов кремниевой силовой бинарной оптики терагерцового диапазона.

2. Создание и исследование дифракционных оптических элементов, предназначенных для фокусировки излучения терагерцового лазера в заданные области.

3. Создание и исследование дифракционных оптических элементов, предназначенных для формирования пучков мощного терагерцового излучения с заданным поперечно-модовым составом.

Научная новизна

1. Предложено использовать метод глубокого травления высокоомного кремния
с применением Бош-процесса в газах SF₆/C₄F₈ и с выбором алюминия или меди с
подслоем хрома в качестве материалов маскирующего слоя для изготовления элементов
бинарной кремниевой силовой пропускающей оптики терагерцового диапазона с
высотой дифракционного микрорельефа более 29 мкм, способных работать при
плотности мощности 4 кВт/см² в максимуме освещающего гауссова пучка, что
соответствует пиковой мощности для 100-пикосекундного импульса почти 8 МВт/см².

2. Изготовлен и исследован бинарный кремниевый дифракционный оптический элемент c диаметром апертуры 30 мм и шагом дискретизации по радиусу 75 мкм, формирующий из терагерцового (рабочая длина волны 141 мкм) гауссова пучка лазера на свободных электронах соосный световой отрезок длиной 30 мм. Экспериментально измеренная эффективность созданного оптического элемента находится в диапазоне значений 17-18% в различных плоскостях, что хорошо согласуется с результатами численного моделирования (19%).

3. Изготовлены и исследованы бинарные кремниевые оптические элементы, формирующие из терагерцового (рабочая длина волны 141 мкм) гауссова пучка лазера на свободных электронах моды Гаусса-Эрмита с номерами (1,0) и (1,1) и пучок, состоящий из мод Гаусса-Лагерра (2,2) и Гаусса-Лагерра (2,-2) с равными весами, а также бинарные винтовые аксиконы, с помощью которых были сформированы бесселевы пучки с топологическими зарядами (+-1) и (+-2). Экспериментально измеренные распределения интенсивности и фазы в сечении сформированных пучков качественно соответствуют результатам численного моделирования.

Практическая значимость:

Создание дифракционных оптических элементов, управляющих поперечным распределением пучков терагерцового лазерного излучения (в том числе мощного), позволит решать такие актуальные задачи терагерцовой оптики как создание терагерцовых лидаров, разработка сканирующих терагерцовых систем с большой глубиной фокусировки, абляция образцов терагерцовым излучением, разработка телекоммуникационных систем терагерцового диапазона.

Достоверность полученных результатов:

Достоверность полученных и представленных в работе результатов подтверждается использованием апробированных и обоснованных методов, теоретических представлений, согласием экспериментальных результатов, полученных независимыми методами исследований, работоспособностью используемых установок и разработанных методик, а также общим согласием с результатами других исследователей.

Авторский вклад:

Все результаты, изложенные в диссертации, получены автором лично, либо при его определяющем участии.

На защиту выносятся:

1. Использование метода глубокого травления высокоомного кремния с применением Бош-процесса в газах SF₆/C₄F₈ и с выбором алюминия или меди с подслоем хрома в качестве материалов маскирующего слоя для изготовления элементов бинарной кремниевой силовой пропускающей оптики терагерцового диапазона с высотой дифракционного микрорельефа более 29 мкм, способных работать при плотности мощности 4 кВт/см² в максимуме освещающего гауссова пучка, что соответствует пиковой мощности для 100-пикосекундного импульса почти 8 МВт/см².

4. Создан и исследован бинарный кремниевый дифракционный оптический элемент, формирующий из терагерцового гауссова пучка лазера на свободных электронах соосный световой отрезок длиной 30 мм (что составляет более 3 длин Рэлея).

5. Созданы и исследованы бинарные кремниевые оптические элементы, формирующие из терагерцового гауссова пучка лазера на свободных электронах моды Гаусса-Эрмита, Гаусса-Лагерра, а также бесселевы пучки с топологическими зарядами (+-1) и (+-2).

Публикации и апробация работы

Всего по результатам диссертации опубликовано 27 работ, из них 12 статей в
изданиях, определенных ВАК России, и 15 публикаций в материалах конференций.
Основные результаты докладывались на всероссийских и международных

конференциях и семинарах, в том числе: VI International Symposium “Modern Problems of Laser Physics”, г. Новосибирск; XX национальная конференция по использованию Синхротронного Излучения "СИ-2014"; 37th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz), 2012; IX Всероссийский семинар по радиофизике миллиметровых и субмиллиметровых волн, г. Нижний Новгород, 2013; 40th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves, Hong Kong, 23 -28 August 2015; Int. Conf. on Las. Appl. Technol. (LAT 2013), 18-22 June 2013, Moscow; International Conference Information Technology and Nanotechnology (ITNT-2015) Samara, Russia, June 29 - July 1, 2015; 2-nd International Conference “Terahertz and Microwave radiation: Generation, Detection and Applications”, TERA-2012, г. Москва, 2012; Международная научная конференция «СибОптика-2015», г. Новосибирск, 2015; Российская конференция по актуальным проблемам полупроводниковой фотоэлектроники ФОТОНИКА-2015, г. Новосибирск, 2015; Всероссийская научно-техническая конференция “Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций”, г. Самара, 2015; 23th International Conference on advanced laser technology ALT-2015, Faro, Portugal, 2015; 24th International Conference on advanced laser technology ALT-2016, Galway, Ireland, 2016; Всероссийская научно-техническая конференция “Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций”, г. Самара, 2016; SFR-2016, the International Conference "Synchrotron and Free electron laser Radiation: generation and application", г. Новосибирск, 2016.

Объем и структура диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, одного приложения, списка литературы, включающего 157 наименований. Работа изложена на 111 листах машинописного текста, содержит 46 рисунков, 2 таблицы.

Разработка метода изготовления кремниевых дифракционных оптических элементов

Из-за растрескивания и расслаивания использование фоторезистов затрудняется, причина этого в низких температурах подложки, однако, если будет сделана специальная обработка фоторезиста для уменьшения механического напряжения до процесса травления, то использование фоторезиста возможно. Основной недостаток криогенного метода травления связан с необходимостью использования низкой температуры подложки, что приводит к критической зависимости свойств процесса от температуры подложки, которая вызвана высоким воздействием тепла плазмы на подложку и экзотермической реакцией травления кремния радикалами фтора [74]. Кроме того, подложка, как самая холодная часть в реакторе, действует как «крионасос», вымораживая соединения из плазмы, которые действуют как трудноудаляемая микромаскировка на поверхности пластины. Микромаскировка отвечает за формирование микроиголок и «травы» на кремнии, которые часто наблюдаются при глубоком криогенном травлении как тревожный и часто неприемлемый фактор. Тем не менее, криогенное сухое травление является очень важной техникой микроструктурирования кремния, например, в микрооптических применениях, где гладкие боковины в нанометровом масштабе имеют ключевое значение.

Описанный ранее [74] метод травления использует относительно трудно удаляемые соединения, такие как слои пассивации в виде оксида кремния или оксифторидов, появляющиеся в результате окисления поверхности кремния. Для их полного удаления со дна травления требуется воздействие ускоренными ионами в комбинации с добавлением акцепторов. Чрезмерное ионное распыление и использование акцепторов снижают избирательность по отношению к маскирующим материалам. Это особенно верно в случае маскирования фоторезистом. Существует компромисс между чистым дном канавки и высокой селективностью к маске. Метод, который позволяет избегать образования таких трудно удаляемых соединений это осаждение гладкого политетрафторэтилена (ПТФЭ) или тефлона как пленки на поверхности кремния в процессе травления [73]. В работах [78,79] описывается важность баланса между частицами травления и полимеризации, а также последствия изменения этого баланса для травления Si и SiO2.

Плазменная полимеризация может быть достигнута путем генерации радикалов (CF2)n в плазме от газов-прекурсоров, таких как гексафторпропилен (C3F6) или октафторциклобутан (RC318R, C4F8), причем последний -нетоксичный и стабильный продукт распада тетрафторэтилена (ТФЭ, C2F4). Осажденная пассивирующая пленка состоит из сети длинных линейных (CF2)n цепей с небольшим сшиванием, пленка легкоудалима со дна травления бомбардировкой низкоэнергичными ионами. Газовая смесь гексафторида серы для доставки радикалов фтора и октафторциклобутана для доставки радикалов, формирующих полимерную пленку, может быть использована в плазме для достижения пассивации боковой стенки и травления на дне канавки, в результате обеспечивая получение анизотропных профилей в кремнии. Кроме того, наличие в процессе фторуглерода в той или иной степени удаляет нежелательный примесный кислород из газа (или выделившейся из кремния), и тем самым препятствует образованию трудноудаляемой пассивации (оксидов кремния) на поверхности (дне). Тем не менее, одновременное присутствие радикалов фтора как частиц травления и пассивирующих частиц в плазме приводит к рекомбинации и к взаимному исчезновению обоих типов частиц. Это делает "смешанный процесс" трудноуправляемым для более глубокого травления и снижает производительность процесса, в основном по отношению к скорости травления. Хотя эти недостатки несколько смягчаются высокой плотностью ICP плазмы, по-прежнему потенциал «смешанного процесса» остается ограниченным для мелких канавок с глубиной порядка 10 мкм. Проблема рекомбинации была преодолена в запатентованном методе «Bosch процесс» [73], который представляет собой разновидность метода пассивации боковой стенки на основе тефлона. Bosch процесс имеет следующий механизм: газы пассивации и травления подаются отдельно и попеременно в технологическую камеру и подложка травится в плазме высокой плотности в ходе циклов пассивации и травления. В каждом цикле пассивации тонкая тефлоновая полимерная пленка, полученная из частиц C4F8, осаждается на боковых стенках структур травления.

Также может произойти некоторая очистка от оксидов на дне травления кремниевой подложки во время, или после стадии осаждения тефлона. В течение последующего цикла травления часть этой пленки удаляется с боковой стенки, защищенной от удара вертикальными ионами. В то же время дно протравливаемой канавки свободно от фторуглеродного полимера и травится радикалами фтора, полученными из плазмы SF6. Обычно время переключения между шагами находится в пределах от нескольких секунд до 1 мин, в зависимости от требуемой шероховатости боковой стенки. Поскольку пассивирующая полимерная пленка может быть удалена с помощью небольшого ударного ионого воздействия, селективность к маске достигает очень высокого значения, например, 150:1 для фоторезиста и более 300:1 для маски SiO2. Если использованы трудноудаляемые пассивирующие полимеры, то для их удаления необходимо более агрессивное воздействие ионами и как следствие, селективность по отношению к маскирующим материалам будет ниже.

Из всех перечисленных выше технологий анизотропного травления кремния для изготовления дифракционных оптических элементов ТГц диапазона лучше всего подходит Bosch процесс в индукционно связанной плазме ICP, т.к. он позволяет получать заданную топологию элементов при большой глубине травления (более 30 мкм) без проблем с микромаскированием, что выгодно отличает его от криогенного анизатропного травления. К тому же применение Bosch-процесса не требует сложного криогенного оборудования. При подборе оптимальных параметров травления необходимо обеспечить баланс между скоростью травления, углом отклонения стенок, величиной подтрава под маску и качеством стенок. Основными параметрами, которые влияют на характеристики итоговой топологии образца, являются расход реакционных газов, мощность источников, давление в реакторе, величина смещения, подаваемого на подложку, времена травления пассивации и их взаимное соотношение. Влияние указанных параметров на топологию микрорельефа показано в таблице 1.1.

Исследование бинарных дифракционных делителей пучка

Вследствие более высокого (по сравнению с видимым диапазоном) поглощения материалов, прозрачных в терагерцовом диапазоне, использование ДОЭ предпочтительнее, чем рефракционных элементов (линзы, призмы). ДОЭ практически не имеют альтернативы в случае управления излучением мощного монохроматического пучка лазера на свободных электронах (ЛСЭ) [45]. Такие приложения как получение терагерцовых изображений [58], мягкая абляция [53], генерация оптического разряда и многие другие требуют фокусировки терагерцового излучения, что определяет актуальность создания фокусирующих элементов (в частности, линз и фокусаторов). Другие приложения – ТГц голография [98], интерферометрия [58] и поляриметрия требуют решения задачи деления исходного пучка на несколько пространственно разнесенных пучков с заданным распределением энергии между ними, что определяет актуальность создания дифракционных делителей пучка. В работе [99] приведены результаты исследований разрушения полимерных дифракционных оптических элементов, в частности, при попадании на поверхность оптических элементов отраженного излучения терагерцового лазера. Поэтому актуальной является задача создания фокусирующих дифракционных оптических элементов терагерцового диапазона с высокой лучевой стойкостью. Метод, предложенный в 1 Главе, позволяет изготавливать кремниевые бинарные дифракционные линзы с энергетической эффективностью, близкой к расчетной, и высокой лучевой стойкостью (4 кВт/см ) [61 ].

Отметим, что в случае использования нелегированного высокоомного кремния в качестве материала подложки ДОЭ терагерцового диапазона, предназначеных для управления высокоэнергетическими пучками (например, излучением лазера на свободных электронах (ЛСЭ)), примеси не снижают коэффициент пропускания пластиной терагерцового излучения. В данной Главе приведены результаты создания и исследования кремниевых бинарных дифракционных оптических элементов (ДОЭ) - дифракционной линзы [85 ], дифракционного делителя пучка 1:2 [85 ] терагерцового диапазона спектра. Все созданные элементы имели диаметр апертуры D=30 мм. Были использованы подложки из кремния типа (HRFZ-Si) [71] с двухсторонней полировкой оптического качества толщиной 1 мм. Формирование микрорельефа терагерцового диапазона с применением метода анизотропного травления “Bosch процесс” поверхности кремния, описанного в первой Главе. Высота дифракционного микрорельефа бинарного ДОЭ определялась по формуле (1.1) и для длины волны Х= 141 мкм составляла h = 29.1 мкм, для длины волны =130 мкм - h = 26.8 мкм. Элементы были изготовлены в двух вариантах: без покрытия и с антиотражающим покрытием из парилена С. Двустороннее антиотражающее покрытие наносилось ЗАО “ТИДЕКС” (г. Санкт-Петербург).

В [61 ] приведены результаты исследования лучевой стойкости покрытия на поверхности линзы, которое выдержало без повреждений облучение со средней плотностью мощности излучения 4 кВт/см2, пиковая мощность в 100 пикосекундном импульсе при этом составляла почти 8 МВт/см2. Характеристики дифракционных оптических элементов были исследованы в пучке Новосибирского лазера на свободных электронах (ЛСЭ) [45] при длине волны 141 мкм. Исследования характеристик элементов выполнены на рабочей станции Новосибирского ЛСЭ [45]. Полученные экспериментальные оценки дифракционной эффективности элементов с нанесенным антиотражающим покрытием находятся в хорошем соответствии с теоретическими оценками [85 ]. 2.1 Исследование бинарных дифракционных линз Были рассчитаны, изготовлены и исследованы бинарные дифракционные линзы [85 ] с фокусным расстоянием7=120 мм, диаметром апертуры D=30 мм для работы на длине волны =130 мкм (рисунок 2.1). Рисунок 2.1 - Внешний вид изготовленной бинарной дифракционной линзы Оптические характеристики изготовленных линз были исследованы на одной из рабочих станций ЛСЭ. Оптическая схема приведена на рисунке 2.2. Лазер генерировал монохроматическое излучение с длительностью импульса 100 пс при частоте повторения 5,6 МГц. Элемент освещался гауссовым пучком с распределением интенсивности в сечении / = /0exp(-2r2/w2), где W = 9 мм, то есть практически 100% энергии пучка проходило через область апертуры элемента диаметром D=30 мм. Средняя мощность излучения в экспериментах составляла несколько Ватт. Бинарная дифракционная линза была рассчитана и изготовлена для фокусировки излучения на расстоянии / = 120 мм, при длине волны 130 мкм. Для расчета дифракционной линзы использовалось программное обеспечение Quick-DOE, разработанное в Институте систем обработки изображений РАН [59]. Однако, во время постановки экспериментов минимальная длина волны генерации Новосибирского лазера на свободных электронах НОВОФЭЛ составляла =141 мкм, поэтому исследование изготовленной линзы проводилось на этой длине волны [85 ]. Измеренное фокусное расстояние составило, в согласии с теорией [59], составило 110 мм вместо 120 мм. Прошедшее сквозь элемент излучение регистрировалось при помощи матричного микроболометрического приемника размером 320x240 элементов (физический размер 12.24х16.36 мм) [56], который во время измерения перемещался при помощи моторизированного трансляционного столика вдоль оптической оси [85 ].

Фокусировка ТГц излучения в область в форме соосного отрезка

Эффективное применение когерентного терагерцового излучения в прикладных и фундаментальных задачах требует создания оптической элементной базы с широкими функциональными возможностями, включающими, в частности, управление поперечно-модовым составом пучка. Представляется перспективным использование опыта управления поперечно-модовым составом пучка с помощью ДОЭ в телекоммуникационных задачах оптического диапазона [59,69], при построении телекоммуникационных систем терагерцового диапазона.

Кроме того, управление поперечно-модовым составом терагерцового лазерного излучения имеет большое значение для перспективных лидарных терагерцовых систем в силу возможности повышения устойчивости терагерцового лазерного пучка к неоднородностям среды с помощью формирования пучка с заданным поперечно-модовым составом. В [52,104] приведены первые результаты исследований лидарной терагерцовой системы, построенной на основе Новосибирского лазера на свободных электронах -НОВОФЭЛ.

Вышеприведенными соображениями обусловлена актуальность создания ДОЭ, предназначенных для формирования из освещающего пучка терагерцового лазера пучков с заданным поперечно-модовым составом. В работах [90 ] приведены результаты исследования ДОЭ, предназначенных для формирования мод лазерного излучения - моданов.

Показано [59,69], что методы дифракционной оптики позволяют формировать пучки когерентного излучения практически произвольного поперечно модового состава. Создание дифракционных оптических элементов, формирующих пучки лазерного излучения заданного модового состава оптического диапазона, позволило решить ряд фундаментальных и прикладных задач [59], в частности, задачу формирования эталонных модовых пучков, задачу повышения чувствительности волоконно-оптических сенсоров. В [69] приведена аналогия между созданием моданов и предшествующим созданием монохроматоров и призм – появление монохроматоров и призм позволило экспериментально подтвердить существование продольного спектра оптического излучения: были показаны возможности экспериментального формирования пучков с заданным продольно-спектральным составом, а также экспериментального разложения белого света по продольно-спектральным компонентам. Подобным образом, создание моданов [59] позволило экспериментально подтвердить существование поперечно-модового спектра лазерного излучения оптического диапазона. Появление моданов позволило формировать эталонные пучки когерентного света с заданным поперечно модовым составом и измерять парциальную мощность мод, входящих в состав освещающего пучка [69].

Отметим, однако, что применение моданов для управления поперечно модовым составом излучения газовых [59,69], твердотельных и полупроводниковых [59] лазеров позволяет получать пучки с заданным поперечно-модовым составом на длине волны, соответствующей одной из продольных мод лазера. Появление лазеров на свободных электронах открыло возможность получения когерентных пучков терагерцового диапазона на заданной длине волны [45]. Таким образом, создание элементов, формирующих пучки с заданным поперечно-модовым составом из освещающего терагерцового когерентного пучка, и использование возможностей лазера на свободных электронах [45] открывают возможность получать пучки когерентного терагерцового излучения заданного модового состава на заданной длине волны.

В работе [105] приведены результаты формирования оптических вихрей терагерцового диапазона с помощью спиральной полимерной пластинки. Однако, как показано в [93 ] применение полимерных оптических элементов нецелесообразно в случае работы с такими мощными источниками излучения терагерцового лазерного излучения, как Новосибирский лазер на свободных электронах [45].

В [84 ] приведены результаты исследования кремниевого бинарного дифракционного фокусатора, предназначенного для фокусировки гауссова пучка в протяженную область в форме соосного отрезка. В [94 ] приведены результаты исследования кремниевого бинарного дифракционного фокусатора, предназначенного для фокусировки гауссова пучка в квадратную фокальную область. Бинарные кремниевые элементы в [84 ,94 ] изготавливались с помощью метода, описанного в 1 Главе.

В отличие от задач формирования заданного распределения интенсивности, решаемых в [84 ,94 ], задача управления поперечно-модовым составом пучка сводится к задаче формирования заданного амплитудно-фазового распределения. В данной Главе приводятся результаты исследования бинарных кремниевых элементов [87 ,90 ], изготовленных с помощью метода, описанного в 1 Главе, и предназначенных для формирования терагерцовых лазерных пучков с заданным поперечно-модовым составом (формировались одномодовые пучки Гаусса-Эрмита (1,0), Гаусса-Эрмита (1,1), а также пучок, состоящий из мод Гаусса-Лагерра (2,2) и Гаусса-Лагерра (2,-2) с равными весами) из освещающего пучка Новосибирского лазера на свободных электронах [45]. Отметим, что в силу одинакового значения постоянной распространения у мод Гаусса-Лагерра (2,2) и Гаусса-Лагерра (2,-2), пучок, состоящий из мод Гаусса-Лагерра (2,2) и Гаусса-Лагерра (2,-2) с равными весами, обладает свойством самовоспроизведения при распространении в свободном пространстве [59], т.е. ведет себя как одномодовый пучок.

В качестве фазовых функций бинарных элементов выбирались фазовые портреты формируемых гауссовых мод. Ранее в [59] было показано, что в случае формирования из освещающего гауссова пучка гауссовых мод низкого порядка с помощью чисто фазового элемента целесообразно выбирать в качестве фазовой функции бинарного элемента фазовый портрет формируемой моды, так как в этом случае, несмотря на воздействие только на фазу освещающего пучка, парциальная мощность формируемой моды в пучке после элемента будет составлять свыше 70%. Шум, возникновение которого связано с разницей между распределением интенсивности освещающего пучка и распределением интенсивности в сечении формируемой моды, приходится большей частью на моды высокого порядка. Так как моды более высоких порядков обладают более высокой расходимостью [69], формируемый пучок близок к одномодовому.

Создание и иccледование ДОЭ, формирующих терагерцовые пучки с топологическим зарядом

Самовоспроизведение бесселева пучка (эксперимент): (а) исходный бесселев пучок l=+1, сформированный на расстоянии 130 мм после дифракционного элемента; (б) распределение интенсивности за пластиной из пенистого полиэтилена на расстоянии 30 мм; (в) распределение интенсивности за пластиной из пенистого полиэтилена на расстоянии 100 мм; (г) распределение интенсивности за более толстой пластиной из пенистого полиэтилена переменной толщины на расстоянии 30 мм; (д) распределение интенсивности за более толстой пластиной из пенистого полиэтилена переменной толщины на расстоянии 100 мм. Таким образом, экспериментально показана возможность формирования с помощью бинарных ДОЭ пучков с топологическим зарядом терагерцового диапазона. В [80 ] экспериментально подтверждено соответствие фазовой картины получающихся пучков фазовой функции ДОЭ, а также наличие топологического заряда у получаемых пучков. В ходе экспериментов показано наличие свойства самовосстановления пучков с топологическим зарядом в дисперсионных средах.

В настоящее время широкое развитие получила тематика, связанная с использованием плазмон-поляритонов для различных приложений. На сегоднящний день основные направления развития данной тематики: плазмонные биосенсоры и биосенсорные решетки [150] (новые сенсоры используют дисперсионный контроль в наномасштабах, и нанометрические объемы позволяют улучшить чувствительность даже на высоком фоновом уровне), оптические системы формирования изображений с нанометрическим разрешением, гибридные фотонно-плазмонные устройства и метаматериалы с отрицательным показателем преломления, усиленное и направленное излучение полупроводниковой люминесценции в плазмонных устройствах, плазмонные наноантенны, которые усиливают поглощение (захват) света, а также создание двухмерных интерференционных паттернов [151 ].

В [62-64] приведены результаты исследования поверхностных плазмон поляритонов (ППП), возбуждаемых с помощью обычного гауссова пучка. К поверхностным плазмонам в последнее время проявляется значительный интерес в связи с их большой ролью во многих явлениях при взаимодействии излучения с веществом, в том числе с гладкими и структурированными поверхностями. ППП, распространяющиеся вдоль поверхностей могут быть использованы в пассивных и активных устройствах передачи данных и интегральных схемах оптоэлектроники, для создания биочипов и в других приложениях. В плазмонных устройствах видимого диапазона часто применяются поверхностные плазмон-поляритоны, распространяющиеся вдоль металлических поверхностей. С ростом длины волны излучения эффективность связи поверхностного плазмон-поляритона с поверхностью ослабевает, однако, покрытие металла дилектрическим слоем существенно увеличивает захват ППП. Большая длина распространения плазмон-поляритонов терагерцового диапазона по сравнению с плазмон-поляритонами видимого диапазона (несколько сантиметров вместо десятков микрометров) может быть полезна для многих приложений [80 ]. Простейшим, и очень эффективным, методом формирования ППП является захват свободной электромагнитной волны при ее дифракции на границе образца («end-fire coupling technique»). Этот метод использован, например, в работе по исследованию «прыжков» ППП через воздушный зазор с поверхности на поверхность [64]. Результаты этой работы вызвали интерес к формированию плазмонов закрученными пучками. В [80 ] приведены результаты применения закрученных пучков терагерцового диапазона для генерации поверхностных плазмон-поляритонов (ППП) на границе металл диэлектрик-воздух. Схема эксперимента приведена на рисунке 4.20а. ППП формировались при падении закрученной волны на торец образца [80 ], представлявшего собой цилиндрический стеклянный сектор, изогнутая поверхность которого была покрыта слоем золота толщиной 1 мкм, в свою очередь покрытым слоем сульфида цинка (ZnS) толщиной от 0.75 до 2 мкм (для разных образцов). Бесселев пучок (максимумы колец пучка показаны штриховой линией) падает на торец образца (рисунок 4.20б) и дифрагирует на нем. Дифрагировавший пучок создает вдали от образца (неарасстоянии около 70 мм от места дифракции) картину, практически не отличающуюся от картины при дифракции на полуплоскости (см. рисунок 4.17). Часть излучения падающей волны захватывается и превращается в поверхностный плазмон, распространяющийся вдоль цилиндрической поверхности. Выбор изогнутой поверхности мотивируется тем, что зарегистрировать появление ППП можно только отделив его от мощной свободной электромагнитной волны, распространяющейся вперед. Факт существования плазмона определялся по двум признакам. Во-первых, прошедший вдоль поверхности плазмон дифрагировал на краю, и по хорошо известной по предыдущим экспериментам дифракционной картине [91 ] было возможно определить его относительную интенсивность. Во-вторых, распространяющийся вдоль цилиндрической поверхности плазмон теряет энергию на радиационные потери, регистрируемые в виде испускаемого по касательной к поверхности излучения. Оба эти вида излучения наблюдаются на рисунке 4.20в. Вариации интенсивности, наблюдаемые при 22.5 градусах, появляются вследствие паразитной интерференции типа Фабри-Перо внутри камеры. Это было проверено с помощью оптоакустического детектора, зарегистрировавшего монотонный спад интенсивности радиационных потерь вдоль поверхности [80 ].