Разработка квантово-каскадного источника многочастотного ТГц узконаправленного излучения c целью его использования в томографииНИР

Источник финансирования НИР

грант РФФИ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 октября 2014 г.-31 декабря 2014 г. Разработка квантово-каскадного источника многочастотного ТГц узконаправленного излучения c целью его использования в томографии
Результаты этапа: 1. Создана экспериментальная установка на основе уникального многочастотного квантово-каскадного лазера мощностью не менее 0,5 мВт на каждой из частот. Освоена методика измерений поперечного распределения интенсивности лазера с помощью терагерцовой камеры и получены двумерные распределения и профили пучка в направлении, перпендикулярном распространению излучения. В структуре пучка квантово-каскадного лазера идентифицированы крупномасштабные изменения в области более высокой интенсивности и мелкомасштабные квазипериодические полосы по всей площади пучка. 2. Разработана оригинальная теоретическая модель для анализа структуры излучения лазеров с продольными размерами много больше длины волны и поперечными размерами меньше и порядка длины волны (проволочных лазеров) и преобразования ее внешними оптическими элементами. 3. В условиях эксперимента методом численного моделирования исследовано поперечное распределение интенсивности на разных расстояниях от выхода из квантово-каскадного лазера. Определено, что крупномасштабные изменения в области более высокой интенсивности экспериментально зарегистрированного пучка связаны с тем, что поперечный и продольный размеры активной зоны отличаются всего в несколько раз (100 и 1000 мкм, соответственно). Мелкомасштабные квазипериодические полосы на всей площади пучка связанны с интерференцией волн от источников на удаленных концах активной зоны проволочного лазера. Получено качественное соответствие экспериментальных и расчетных данных для двух частот излучения 1,9 и 3,1 ТГц. 4. На основе разработанной теоретической модели на сфазированной регулярной решетке (NxN) плазменных каналов фемтосекундного лазерного импульса получен быстрый рост (скорость роста выше NxN) энергии направленного вперед в узкий конус терагерцового излучения. Найдено оптимальное расстояние между каналами в решетке, которое равно длине волны излучаемого терагерцового излучения. Показана устойчивость роста энергии терагерцового излучения в узком конусе при флуктуациях расстояния между каналами решетки в пределах половины длины волны терагерцового излучения (результаты приняты в печати в Laser Physics Letters, 16 октября 2014 года, гранки публикации прилагаются к отчету). 5. Сделан расчет преобразования излучения медленных мод проволочных лазеров с помощью оптической системы, представляющей собой комбинацию сферической линзы и специально разработанной фазовой пластины, с лазером расположенным на оси оптической системы вблизи фокуса линзы [Phys. Scr. T 162 (2014) 014006 ]. Фазовая пластина состоит из концентрических колец, соответствующих четным лепесткам диаграммы направленности лазера. Полуволновая оптическая толщина колец компенсирует разность фаз между соседними лепестками диаграммы направленности, формируя, таким образом, однородный волновой фронт. Показано, что такая система позволяет сконцентрировать около 3/4 мощности излучения проволочного лазера, собранного оптической системой, в пучок с однородной фазой, расходимость которого определяется отношением длины волны к радиусу апертуры оптической системы. 6. Сделан расчет преобразования излучения медленных мод проволочных лазеров с помощью сферической линзы [Phys. Scr. T 162 (2014) 014006 ]. Показано, что интерференция излучения от продольного распределения источников в лазерном волноводе, которая играет основную роль в формировании дальнего поля таких лазеров, приводит к образованию трехмерного изображения лазерного волновода. 7. Показано, что возможно получение узкого пучка излучения с однородной фазой при преобразовании излучения проволочного лазера с помощью оптической системы, состоящей из двух сферических линз и диафрагмы, выделяющей один из максимумов изображения, сформированного первой линзой [18 ISQE, p. 109].
2 1 января 2015 г.-31 декабря 2015 г. Разработка квантово-каскадного источника многочастотного ТГц узконаправленного излучения c целью его использования в томографии
Результаты этапа: На этапе 2015 года были проведены экспериментальные исследования и численное моделирование по фокусировке ТГц излучения квантово-каскадного лазера двумя последовательно расположенными линзами: хемисферической, находящейся сразу на выходе проволочного лазера, и обычной, расположенной на расстоянии 15 см от лазера. Показано, что с помощью такой системы линз удается стабилизировать пространственное распределение выходного излучения лазера и, в частности, диаметр пучка терагерцового излучения. Пространственное распределение терагерцового излучения было измерено микробалометрическим терагерцовым детектором, работающим при комнатной температуре. Установлено, что диаметр пучка сохраняется неизменным на расстояниях несколько сантиметров в окрестности перетяжки обычной линзы. Численное моделирование показало, что использовании хемисферической линзы на выходе квантово-каскадного лазера позволяет существенно улучшить пространственный профиль пучка: кольцевая структура на выходе проволочного лазера преобразуется в дальней зоне дифракции в квазиунимодальное распределение интенсивности ТГц излучения с максимумом на оси. При этом интенсивность излучения на оси полученного пучка оказывается на 1-2 порядка больше, чем без использования хемисферической линзы. Дополнительная фокусировка тонкой линзой, размещенной в дальней зоне, позволяет для малых фокусных расстояний сформировать узкую фокальную перетяжку длиной до сантиметра. Увеличение фокусного расстояния приводит к уменьшению качества фокусировки вплоть до практически монотонного спадания интенсивности на оси пучка.
3 13 марта 2016 г.-31 декабря 2016 г. Разработка квантово-каскадного источника многочастотного ТГц узконаправленного излучения c целью его использования в томографии
Результаты этапа: 1. Создана экспериментальная установка на основе уникального многочастотного ТГц ККЛ мощностью не менее 0,5 мВт на каждой из частот. Освоена методика измерений поперечного распределения интенсивности лазера с помощью ТГц камеры и получены двумерные распределения и профили пучка в направлении, перпендикулярном распространению излучения. В структуре пучка ККЛ идентифицированы крупномасштабные изменения в области более высокой интенсивности и мелкомасштабные квазипериодические полосы по всей площади пучка. 2. Разработана оригинальная теоретическая модель для анализа структуры излучения лазеров с продольными размерами много больше длины волны и поперечными размерами меньше и порядка длины волны (проволочных лазеров) и преобразования ее внешними оптическими элементами. 3. В условиях эксперимента методом численного моделирования исследовано поперечное распределение интенсивности на разных расстояниях от выхода из ККЛ. Определено, что крупномасштабные изменения в области более высокой интенсивности экспериментально зарегистрированного пучка связаны с тем, что поперечный и продольный размеры активной зоны отличаются всего в несколько раз (100 и 1000 мкм, соответственно). Мелкомасштабные квазипериодические полосы на всей площади пучка связанны с интерференцией волн от источников на удаленных концах активной зоны проволочного лазера. Получено качественное соответствие экспериментальных и расчетных данных для двух частот излучения 1,9 и 3,1 ТГц. 4. На основе разработанной теоретической модели на сфазированной регулярной решетке (N x N) плазменных каналов фемтосекундного лазерного импульса получен быстрый рост (скорость роста выше N x N) энергии направленного вперед в узкий конус ТГц излучения. Найдено оптимальное расстояние между каналами в решетке, которое равно длине волны излучаемого ТГц излучения. Показана устойчивость роста энергии ТГц излучения в узком конусе при флуктуациях расстояния между каналами решетки в пределах половины длины волны ТГц излучения. 5. Сделан расчет преобразования излучения медленных мод проволочных лазеров с помощью оптической системы, представляющей собой комбинацию сферической линзы и специально разработанной фазовой пластины, с лазером расположенным на оси оптической системы вблизи фокуса линзы. Фазовая пластина состоит из концентрических колец, соответствующих четным лепесткам диаграммы направленности лазера. Полуволновая оптическая толщина колец компенсирует разность фаз между соседними лепестками диаграммы направленности, формируя, таким образом, однородный волновой фронт. Показано, что такая система позволяет сконцентрировать около 3/4 мощности излучения проволочного лазера, собранного оптической системой, в пучок с однородной фазой, расходимость которого определяется отношением длины волны к радиусу апертуры оптической системы. 6. Сделан расчет преобразования излучения медленных мод проволочных лазеров с помощью сферической линзы. Показано, что интерференция излучения от продольного распределения источников в лазерном волноводе, которая играет основную роль в формировании дальнего поля таких лазеров, приводит к образованию трехмерного изображения лазерного волновода. 7. Показано, что узкий пучок излучения может быть получен как образ «проволочного лазера» с длиной излучателя много больше длины волны и толщиной меньше длины волны как образ лазера, сформированный сферической линзой. Выходной пучок излучения расходится линейно с углом, определяемым отношением длины волны к радиусу линзы, причем минимальная ширина пучка соответствует размерам образа точечного источника. Такой пучок был получен экспериментально с использованием ТГц ККЛ. 8. Сделан анализ распространения многомодового ТГц излучения ККЛ с периодической продольной модуляцией волновода. Показано, что в случае, когда разность волновых векторов моды лазерного волновода и моды свободного пространства меньше пространственной частоты продольной модуляции волновода возможно формирование конического пучка, а в случае, когда разность волновых векторов больше частоты модуляции линейный рост мощности направленного излучения ограничен. Показано, что условие направленного излучения с мощностью, линейно растущей при увеличении длины лазера, может выполняться лишь для одной продольной моды лазерного волновода. 9. Сделан теоретический анализ распределения поля излучения многомодового проволочного лазера при фокусировке сферической линзой. Показано, что для медленных мод лазеров с длиной волновода больше удвоенного продольного разрешения линзы распределение поля вблизи изображения лазера мало зависит от волнового вектора моды, что позволяет использовать пространственную фильтрацию излучения многомодовых проволочных лазеров с пользованием сферической линзы и диафрагмы. 10. Проведен расчет струкутры поля при фокусировке излучения проволочного лазера с продольной модуляцией волновода, позволяющей получить направленный пучок. Показано, поперечные размерами изображения такого лазера, расположенного вдоль оси тонкой сферической линзой значительно больше, чем размеры максимума поля изображения лазерного волновода без продольной модуляции, и растут с увеличением длины лазера. При этом продольная структура изображения значительно более однородная, чем в случае немодулированного волновода. 11. Исследованы свойства пучка излучения проволочного лазера, полученного с использованием сферической линзы и диафрагмы от положения и размеров диафрагмы. Определены оптимальные положение и размер диафрагмы. Показано, что увеличение диафрагмы может приводить к ухудшению направленности, появлению сильных угловых модуляций интенсивности пучка и нарушению однородности его фазового фронта. Определены допустимые погрешности оптической системы для получения однородного направленного излучения максимальной мощности. 12. Продемонстрирована работа лабораторного образца ТГц гетеродинной системы на основе ККЛ в качестве гетеродина и HEB в качестве смесительного элемента, предназначенной для решения различных научных и практических задач, связанных с астрономическими наблюдениями, а также спектроскопией высокого разрешения, включая задачи измерения распределения фазы на поверхности волнового фронта излучения ТГц ККЛ. Предложенный метод позволяет создать компактный ТГц гетеродинный приёмник, объединив гетеродин и смеситель в одном криостате.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".