Введение к работе
Актуальность темы исследования. Технологии, основанные на применении широкополосного терагерцового (0.1 – 10 ТГц) излучения [1], являются сегодня важным инструментом для многих практических приложений, таких как неинвазивные методы диагностики и контроля в индустрии, медицине и биологии, обнаружении взрывчатых веществ. В последнее десятилетие активно исследуется еще одно масштабное приложение, основанное на применении ТГц диапазона частот, - терагерцовые коммуникации [2]. Емкость канала связи определяется значением несущей частоты канала связи, частотой следования импульсов и шириной спектра: чем выше несущая частота, частота следования и шире спектр излучения, тем больший объем данных может быть передан по каналу. Представляется перспективным использовать широкополосное ТГц излучение для создания систем передачи данных нового поколения, поскольку оно обладает одновременно более высокими значениями несущих частот, сверхшироким спектром и высокой частотой следования импульсов в случае импульсного сигнала [3]. Однако, поскольку исследованиям по импульсной ТГц связи посвящено лишь небольшое количество работ, даже основополагающие аспекты данной области пока не проработаны.
Применение широкополосного ТГц излучения в задачах связи ограничено из-за того, что компактные источники ТГц излучения ограничены по мощности, а более мощные являются слишком громоздкими для применения кроме как для лабораторных исследований. Однако активно ведущаяся работа над созданием более мощных компактных источников импульсного ТГц излучения позволяет предположить, что это ограничение может быть преодолено [4]. Вторым фактором, ограничивающим применение широкополосного ТГц излучения является шум, возникающий из-за молекулярного поглощения (в основном молекулами воды) при распространении в атмосфере. Неоднородности распределения молекул в атмосфере вносят искажения в передаваемый сигнал. Кроме того, терагерцовое излучение чувствительно к динамическим и статическим помехам, таким как металлосодержащие и другие непрозрачные преграды, блокирующие канал передачи. Возможным способом решения данной проблемы является, наряду с созданием компактных и достаточно мощных когерентных источников ТГц излучения, повышение помехоустойчивости и минимизация дифракции излучения, которые могут быть достигнуты за счет использования пучков с особой пространственной структурой [5], таких как бесель-гауссовы и вихревые пучки, обладающие орбитальным угловым моментом (ОУМ) [6].
Бесселевы пучки известны рядом особых свойств, а именно - способностью формировать узкий протяженный максимум интенсивности излучения вдоль оптической оси, малой дифракционной расходимостью центрального максимума (по сравнению, например, с гауссовым пучком) и свойствами самовосстановления. Бесселевы пучки монохроматического излучения различных диапазонов частот (в том числе ТГц диапазоне) исследовались многими научными группами, и применяются в оптической когерентной томографии, контроле микро-и наночастиц, высокоточной обработке материалов и трехмерной визуализации.
Устойчивость к дифракционному расплыванию бессель-гауссовых пучков представляется еще более полезной в случае импульсного излучения, для которого необходим контроль как пространственных, так и временных характеристик. Однако, для эффективного применения бесселевых пучков импульсного ТГц излучения для практических целей необходимо исследовать процессы формирования и распространения таких пучков, с учетом влияния широкополосного спектра.
Другим видом структурированных оптических полей с огромным потенциалом для практических приложений являются вихревые пучки. На сегодняшний оптические вихри используются для манипулирования микрочастицами, для повышения контраста изображений в микроскопии, для задач метрологии, и в особенности, для увеличения плотности передачи данных в системах оптической связи [7]. В ходе ряда экспериментов была
продемонстрирована возможность создания вихревых пучков в видимом, миллиметровом, УФ, радио, а также в ТГц диапазоне частот.
В терагерцовом диапазоне частот были получены и исследованы монохроматические вихревые пучки, в том числе показаны возможности их применения для мультиплексирования терагерцовых каналов связи на одной несущей частоте [8]. Недавние исследования показали также возможность генерации широкополосных терагерцовый вихрей с постоянным топологическим зарядом для широкого диапазона спектра. Предполагается, что широкополосные ТГц вихри могут быть использованы для достижения сверхразрешения в терагерцовой визуализации объектов, а также для увеличения емкости каналов беспроводной широкополосной импульсной терагерцовой связи. Однако, ключевые для реальных приложений свойства широкополосных ТГц вихрей, такие как изменения их пространственно-спектральной структуры под воздействием дифракции, локализация сингулярной структуры в зависимости от частоты и расстояния распространения на сегодняшний день еще не были
исследованы.
На момент начала настоящей работы не было исследований, связанных с формированием пучков широкополосного ТГц излучения со структурированным пространственным распределением амплитуды и фазы, которые активно велись для других частотных диапазонов. Позднее, идея использования сверхширокого ТГц диапазона для ряда новых приложений, таких как ТГц системы связи, повлекла за собой исследования по возможности создания и применения широкополосных бесселевых и вихревых пучков ТГц излучения. В связи с развитием техник получения полной информации о структуре и динамике ТГц полей, с одной стороны, стала актуальной задача исследовать более глубоко особенности эволюции структурированных пучков широкополосного ТГц излучения, и, с другой стороны, выработать новые подходы и критерии оценки свойств данных пучков.
Исходя из вышеизложенного, целью диссертационной работы являлось исследование пространственно-временной и пространственно-спектральной динамики двух типов пучков с особой пространственной структурой: импульсного широкополосного вихревого ТГц пучка и пучка Бесселя-Гаусса. Для этого решались следующие задачи:
-
Проведение модельного эксперимента для наблюдения и анализа взаимосвязи пространственных и временных параметров однопериодного ТГц импульса Бесселя-Гаусса, особенностей его динамики, а также определение расстояния распространения такого пучка с ограниченной дифракцией.
-
Подготовка и проведение эксперимента по генерации и детектированию пространственно-временной формы широкополосного импульсного терагерцового вихревого пучка и широкополосного пучка Бесселя-Гаусса.
-
Разработка метода определения спектра топологического заряда вихревого пучка, состоящего из спектральных компонент с различным топологическим зарядом.
-
Разработка и проведение модельного эксперимента для исследования трансформаций сингулярной структуры при дифракции широкополосного ТГц вихря на краю непрозрачного экрана, а также исследования свойств устойчивости сингулярной структуры пучка при дифракции на краю непрозрачного экрана.
Научная новизна проведенных исследований:
-
Впервые исследована пространственно-временная и пространственно-спектральная динамика распространения пучка Бесселя-Гаусса в диапазоне частот 0.1 – 2.5 ТГц, формируемого при дифракции однопериодного ТГц импульса на аксиконе.
-
Впервые выявлены перекачка энергии в широкополосном ТГц импульсе Бесселя-
Гаусса с Х-образной пространственно-временной формой из переднего фронта импульса в задний, а также инверсия волнового фронта.
3. Разработан метод определения спектра топологического заряда вихревого пучка,
состоящего из спектральных компонент с различным топологическим зарядом.
Впервые экспериментально и в моделировании получен спектр топологического
заряда импульсного вихревого пучка, генерируемый с помощью спиральной фазовой
пластины.
-
Впервые показаны трансформации и локализации сингулярной структуры широкополосного импульсного ТГц вихря в зависимости от частоты и расстояния распространения при дифракции ТГц вихря на краю непрозрачного экрана.
-
Впервые исследованы свойства самовосстановления сфокусированных широкополосных ( 0.1 – 3 ТГц ) вихревых пучков, формируемых фемтосекундными лазерными импульсами, при их диафрагмировании непрозрачным амплитудным экраном, сформулированы критерии оценки свойств самовосстановления и определены характерные расстояния, на которых проявляются данные свойства.
Практическая значимость:
Определенные в ходе исследований взаимосвязь пространственных и временных характеристик широкополосных ТГц пучков Бесселя-Гаусса, а также характерные длины распространения таких пучков с ограниченной дифракцией будут востребованы для приложений, связанных с контролем пространственно-временной формы импульсов, например, для задач минимизации рассеяния энергии в широкополосных системах ТГц связи ближнего поля и повышения контраста в системах ТГц визуализации. Сформулированные на основании проведенной работы критерии самовосстановления для случая импульсного широкополосного ТГц вихревого пучка будут востребованы в дальнейших исследованиях по широкополосной ТГц связи. Исследования особенностей локализации сингулярностей при диафрагмировании вихревых пучков имеют практическое значение для задач коррекции фазы в терагерцовой голографии.
Методология и методы исследования:
Численные расчеты процесса распространения широкополосных волновых полей выполнялись с использованием методов углового спектра плоских волн и свертки поля с импульсным откликом системы. Все модельные эксперименты проводилось с использованием программного пакета на основе среды разработки LabView National Instruments. Экспериментальные исследования проводились с применением метода и установки импульсной терагерцовой голографии, а также терагерцовой спектроскопии с разрешением во
времени.
На защиту выносятся следующие результаты и положения:
-
Показано, что при прохождении формируемого фемтосекундными лазерными импульсами широкополосного ( 0,1–2,5 ТГц ) терагерцового пучка через аксикон формируется бессель-гауссов пучок, для которого длина распространения с ограниченной дифракцией составляет до 25 мм для пучка диаметром 20 мм и аксикона с углом 43 и величиной показателя преломления n = 1,46±0,01 в диапазоне частот 0,1–2,5 ТГц.
-
Пространственно-временные и пространственно-спектральные характеристики терагерцового импульсного пучка Бесселя-Гаусса в процессе распространения
приводят к формированию X-образной пространственно-временной структуры, при которой наблюдается перекачка энергии импульса из переднего фронта импульса в задний, а также инверсия волнового фронта.
-
Предложен метод определения спектра топологического заряда вихревого пучка, состоящего из спектральных компонент с различным топологическим зарядом, на основе анализа топологии спектрально-разрешенных пространственных распределений фазы. Проведена экспериментальная верификация метода.
-
Показано, что широкополосные (0,1 - 3 ТГц ) терагерцовые вихревые пучки, формируемые фемтосекундными лазерными импульсами, обладающие единичным топологическим зарядом на каждой спектральной компоненте, проявляют свойства самовосстановления при диафрагмировании половины поперечного размера пучка амплитудным экраном, заключающиеся в восстановлении вихревой фазы на каждой частотной компоненте и локализации нулей амплитуды.
Достоверность полученных результатов обоснована тем, что используемые методы численного расчета распространения волнового фронта терагерцовых импульсов были многократно апробированы экспериментально для случая однопериодных терагерцовых импульсов, а также совпадением результатов численных расчетов с полученными в ходе работы экспериментальными результатами.
Апробация работы:
Результаты работы были представлены: на международной научной конференции “Цифровая сингулярная оптика: Приложения и Основы” (Севастополь, 2018); на международной научной конференции “Progress In Electromagnetics Research Symposium, PIERS 2017” (Санкт-Петербург, 2017) ; на международной научной конференции “Photonics Prague” (Прага, 2017); на международной научной конференции IRMMW-THz 2016: “41st International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves (Копенгаген, 2016)”; на международной научной конференции “17th International Conference Laser Optics ” (Санкт-Петербург, 2016); на международной научной конференции OPTIC “Optics&Photonics Taiwan International Conference ” (Тайвань, 2015), на международной научной конференции Оптика-2015: “IX Международная конференция молодых ученых и специалистов” (Санкт-Петербург, 2015).
Публикации автора
Материалы диссертации изложены в 9 печатных работах, из них 4 статьи в журналах из списка ВАК и 5 публикаций в других изданиях.
Личный вклад
Научным руководителем была сформулирована цель исследования. Диссертант принимал участие в постановке задач. Диссертантом проведено детальное исследование современного состояния актуальных для решения задач исследования областей науки, смоделированы и изготовлены оптические элементы для формирования структурированных терагерцовых пучков, проведены эксперименты по генерации и исследованию свойств широкополосных импульсных бессель-гауссовых и вихревых пучков. Обработка, анализ полученных результатов выполнены диссертантом лично.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем диссертации – 107 страниц, включая библиографию из 102 наименований. Работа содержит 49 рисунков, размещенных внутри глав.