Разработка, создание и исследование дифракционных оптических элементов (в том числе с субволновым микрорельефом) для управления пучками лазера на свободных электронах дальнего ИК и терагерцового диапазонов

Сведения о фактическом выполнении годового плана работы 1. Рассчитан и изготовлен методом плазмохимического травления (Бош-процесс) поверхности подложки из высокоомного кремния фокусирующий субволновый элемент терагерцовой дифракционной оптики – субволновая цилиндрическая дифракционная линза. Параметры элемента – апертура D=50 мм, рабочая длина волны 141 мкм, угол падения освещающего пучка 30 градусов, тип микрорельефа – бинарный субволновый. Расчетная высота микрорельефа – h=63 мкм. Расчетное фокусное расстояние линзы f=300 мм. Для расчета и моделирования субволнового элемента использовались методы строгой теории. По результатам численного моделирования дифракционная эффективность элемента составила 70%. Изготовленный дифракционный микрорельеф исследовался методами интерферометрии белого света. Результаты исследования микрорельефа показали незначительное отклонение профиля реализованного микрорельефа от расчетного. Проведено моделирование работы элемента с учетом выявленных технологических погрешностей. На результатах численного эксперимента показано, что имеющиеся погрешности способны привести к снижению дифракционной эффективности на 5%. Изготовленный субволновый элемент исследовался методами натурного эксперимента. В качестве источника излучения когерентного терагерцового излучения использовался терагерцовый новосибирский лазер на свободных электронах (НЛСЭ). Эксперимент продемонстрировал фокусирующие способности созданного элемента, экспериментальная оценка фокусного расстояния находится в хорошем соответствии с расчетным фокусным расстоянием. Экспериментальная оценка угла направления на фокус линзы также находится в хорошем соответствии с расчетным значением. Вместе с тем зафиксировано снижение полученной дифракционной эффективности элемента по сравнению с расчетным значением. Сделано предположение, что причинами снижения эффективности являются интерференционные эффекты в объеме кремниевой подложки и технологические погрешности изготовления. Получены результаты теоретического анализа возможности создания субволновых элементов, фокусирующих когерентное терагерцовое излучение в заданную область с повышенной эффективностью. Проведен сравнительный анализ изготовленного элемента с ранее созданными дифракционными и рефракционными цилиндрическими линзами терагерцового диапазона. Показано, что применение элементов такого типа целесообразно в случае необходимости использования фокусирующего элемента, обладающего меньшими массогабаритными характеристиками, чем у рефракционных цилиндрических линз [1], и с большей дифракционной эффективностью, чем у хорошо известных бинарных дифракционных линз [2] с характерным размером микрорельефа, превышающим длину волны освещающего излучения. Подготовлена статья по результатам проведенных исследований (планируется к подаче в издательство в 2022 году). 1. A.N. Agafonov, B.A. Knyazev, V.S. Pavel’ev, E.I. Akhmetova, V.I. Platonov/Elements of the terahertz power reflective optics with free-form surfaces / Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing. – 2019. – Vol. 55, Issue 2. – P. 148-153. 2.А. Н. Агафонов, М. Г. Власенко, Б. О. Володкин, В. В. Герасимов, А. К. Кавеев, Б. А. Князев, Г. И. Кропотов, В. С. Павельев, И. Г. Пальчикова, В. А. Сойфер, М. Ф. Ступак, К. Н. Тукмаков, Е. В. Цыганкова,Ю. Ю. Чопорова. Дифракционные линзы для мощных пучков терагерцового излучения. Известия РАН. Серия физическая, 2013, том 77, № 9, с. 1330–1332. 2. Получены результаты экспериментального исследования возможности организации многоканальной терагерцовой связи с поперечно-модовым уплотнением (использованы бесселевы моды с орбитальным угловым моментом (ОУМ)) в свободном пространстве в присутствии возмущений. Приведены результаты исследования по детектированию бесселевой моды в одномодовых и многомодовых закрученных пучках с топологическими зарядами l=-1,-2 с помощью бинарных аксиконов с l = ±1,…,±4. Аксиконы освещались пучком терагерцового новосибирского лазера на свободных электронах (НЛСЭ) длиной волны 141 мкм. Приведены результаты детектирования бесселевых мод с заданным топологическим зарядом в терагерцовом пучке в случаях отсутствия и присутствия неоднородной среды (в качестве неоднородной среды были использованы пенистые полимерные пленки). Для формирования бесселевых пучков с орбитальным угловым моментом (ОУМ) использовались кремниевые бинарные спиральные аксиконы. Для детектирования наличия заданной моды в одномодовых и многомодовых пучках были также использованы кремниевые бинарные спиральные аксиконы. Приведены результаты исследования зависимости устойчивости различных бесселевых мод с ОУМ в многомодовом пучке к распространению в неоднородной среде от топологического заряда в том числе методом согласованной фильтрации с помощью дифракционного оптического элемента с соответствующим образом выбранной функцией комплексного пропускания. Полученные в проекте результаты исследования самовосстановления терагерцовых пучков с ОУМ с различным значением топологического заряда в свободном пространстве после прохождения неоднородных сред приведены в работах [1*,2*]. 1*.В.С. Павельев, К.Н. Тукмаков, А.С. Решетников, В.В. Герасимов, Н.Д. Осинцева,Б.А. Князев, Экспериментальное исследование самовосстановления терагерцовых Бесселевых пучков с орбитальным угловым моментом//Компьютерная оптика. – 2021. – Т. 45, No 5. – С. 673-677. – DOI:10.18287/2412-6179-CO-845. 2*. V.S. Pavelyev, K.N. Tukmakov, A.S. Reshetnikov, V.V. Gerasimov, N.D. Osintseva, B.A. Knyazev, Experimental investigation of self-healing of terahertz vortex beams, IEEE Proceedings (принято к публикации) Звездочкой * помечены публикации, выполненные в рамках настоящего проекта.