Разработка новых методов и средств исследования материалов в терагерцовом и инфракрасном диапазонах

Данная НИР выполнялась в 2023 г. по четырём основным направлениям: 1) инфра-красная фурье-спектроскопия; 2) разработка новых методов и средств исследования ма-териалов с использованием поверхностных плазмон-поляритонов ИК и ТГц диапазонов; 3) модуляция и отклонение пучка мощного квазимонохроматического инфракрасного и терагерцевого излучения акустооптическими методами; 4) исследование эффектов по-верхностных плазмонов в субволновых дифракционных решетках и диэлектрических волноводах с металлической проволочной сердцевиной. В результате выполненных исследований достигнуты следующие результаты. По направлению №1. Разработана и апробирована оригинальная электронная си-стема многоканального фурье-спектрометра и программы, обеспечивающие синхронную регистрацию интерферограмм с нескольких фотоприёмников и их хранение (при необхо-димости, в автономном варианте). Предложена схема трехканального фурье-спектрометра, оснащенного волоконно-оптическими зондами (с различными типами из-мерительных головок), позволяющими производить спектральные измерения в макси-мально широком спектральном диапазоне. Рассмотрены различные виды трехканальных зондов и варианты измерительных головок; установлены пути улучшения их характери-стик посредством использования оптоволоконных жгутов (кабелей) на основе много-волоконных структур. Исследована возможность мониторинга светлых нефтепродуктов в процессе их производства методом ИК-фурье-спектроскопии. Показана эффективность спектральных измерений методом НПВО на примере бензина марки АИ-95 и дизельного топлива. Изготовлены основные узлы оптико-механической и электронной частей фурье-спектрорадиометра, предназначенного для пирометрических высокотемпературных из-мерений (по КД, разработанной на предыдущем этапе ГЗ), и проведена их сборка. По направлению №2. Установлено, что оптимальным методом генерирования ППП является метод дифракции излучения источника на прямоугольном ребре образца при использовании цилиндрического элемента преобразования с радиусом R>>, что позво-ляет не только реализовать эффективное генерирование ППП (до 80%), но и надёжно экранировать приёмник от паразитного объёмного излучения с элемента преобразования и с трека ППП. Впервые продемонстрированы возможности субТГц визуализации для проведения неразрушающего контроля структур 3D-печатных пластиковых изделий. Раз-работан алгоритм определения профиля показателя преломления n и коэффициента экс-тинкции k по глубине для тонких градиентных пленок. Предложен метод восстановления оптического профиля тонких градиентных пленок с помощью приближения в виде поли-номиальных функций. Разработана конструкция блока оптического контроля методом поверхностного плазмонного резонанса (ППР) толщины слоёв при вакуумном напылении ультратонких покрытий, а также - методика по его эксплуатации. Продемонстрирована возможность наблюдения ППР на подложке из антимонида индия в ТГц диапазоне и реа-лизации метода микроскопии ППР в монохроматическом ТГц излучении. Создана экспе-риментальная установка для микроскопии ППР в ТГц диапазоне с возможностью скани-рования по углу и величине воздушного зазора. По направлению №3. Получена формула для оценки фотоупругой постоянной не-полярной жидкости по значению её показателя преломления. Установлено, что значение этой постоянной не может превышать определённое число. В рамках простейшей модели Лоренца-Лоренца это максимальное число оценивается как 3/8 и достигается при показа-теле преломления равном 2. Показано, что рабочая полоса частот ультразвука и, как следствие, число разрешаемых акустооптическим (АО) дефлектором световых пятен, за-висит от величины зазора между секциями излучателя ультразвука. Это влияние состав-ляет порядка 1% и уменьшается при увеличении числа секций. Установлена аналитиче-ская зависимость угла падения излучения от частоты ультразвука для режима АО де-флектора, при котором достигается максимальная эффективность дифракции. Получены соотношения для оптимального угла падения излучения и центральной частоты ультра-звука для АО дефлектора с секционированным излучателем ультразвука. Продемонстри-ровано, что наличие зазора между секциями излучателя приводит к существенной по-правке к оптимальному углу падения излучения и к центральной частоте ультразвука. Для АО дефлектора с четырёхсекционным излучателем ультразвука эта поправка состав-ляет 3.5%, что сравнимо с вариацией угла при переходе из режима, где частотная харак-теристика дефлектора имеет плоскую вершину, к режиму, где эта характеристика имеет 50% провал в центре. По направлению №4. Исследовано влияние параметров падающего излучения (длины волны, угла падения и ширины пучка) и субволновой дифракционной решетки (периода, глубины и профиля рельефа, материала) на эффективность возбуждения по-верхностного плазмонного резонанса (ППР). Показано, что для решетки с заданным пе-риодом существует оптимальная глубина для эффективного возбуждения ППР, причем соответствующий резонансный угол падения излучения зависит от материала и длины волны излучения. Определены оптимальные условия возбуждения ППР в субволновых решетках из золота, серебра и никеля. Исследован угловой сдвиг Гуса-Хенкен (ГХ) для пучков излучения видимого и ИК диапазонов при возбуждении ППР в металлической субволновой решетке. Проведены расчёты и измерение углового сдвига ГХ, усиленного явлением ППР. Эффекты углового смещения ГХ и изменения формы отраженного пуч-ка вблизи ППР продемонстрированы экспериментально и подтверждены численным моделированием. Показана высокая чувствительность углового сдвига ГХ к изменению угла падения пучка излучения. Заметное преобразование формы отраженного пучка наблюдается, когда угол падения изменяется на 1 угловую минуту (310-4 рад). Исследованы дисперсионные свойства поверхностных плазмон-поляритонов (ППП) при распространении импульса вдоль металлических проводов с диэлектрическим покрытием в терагерцовом диапазоне. Получено аналитическое выражение для импульсного электрического поля из решения уравнений Максвелла с учетом дисперсионных членов высокого порядка. Исследовано влияние диэлектрического покрытия на изменение формы импульса. В отличие от проволоки без покрытия, распространение поверхностных плазмонных импульсов вдоль проволоки с диэлектрическим покрытием обладает высокой дисперсией. Показано, что диэлектрическое покрытие приводит к появлению чирпированного сигнала с длинным колебательным хвостом, частота колебаний которого зависит от времени.