RU175214U1

RU175214U1 - DEVICE FOR CONTROLING THE SPECTRUM OF A COLLIMATED BEAM OF WIDESBAND INFRARED RADIATION

Info

Publication number: RU175214U1
Application number: RU2017122378U
Authority: RU
Inventors: Алексей Константинович Никитин; Борис Александрович Князев; Василий Валерьевич Герасимов; Илдус Шевкетович Хасанов
Priority date: 2017-06-26
Filing date: 2017-06-26
Publication date: 2017-11-28

Abstract

Полезная модель относится к области оптического приборостроения и касается устройства для управления спектром коллимированного пучка широкополосного инфракрасного излучения. Устройство включает в себя источник излучения, поляризатор, фокусирующий цилиндрический объектив, элемент преобразования объемного излучения в поверхностные электромагнитные волны (ПЭВ), проводящую пластину с плоской гранью, способной направлять эти ПЭВ, экран, поглощающий не преобразованное в ПЭВ объемное излучение, и подвижную платформу, способную перемещаться в плоскости, параллельной грани пластины. На платформе установлено уголковое зеркало, состоящее из двух сочлененных плоских пластин с взаимно перпендикулярными отражающими поверхностями, примыкающими к грани проводящей пластины и перпендикулярными к ней. Зеркало ориентировано таким образом, что ПЭВ падают на его отражающие поверхности под углом в 45°. Технический результат заключается в повышении надежности, уменьшении размеров и сокращении времени перенастройки устройства. 2 ил.The utility model relates to the field of optical instrumentation and relates to a device for controlling the spectrum of a collimated beam of broadband infrared radiation. The device includes a radiation source, a polarizer, a focusing cylindrical lens, an element for converting volume radiation into surface electromagnetic waves (SEWs), a conductive plate with a flat face capable of directing these SEWs, a screen that absorbs volumetric radiation not converted to SEWs, and a movable platform, able to move in a plane parallel to the face of the plate. A corner mirror is installed on the platform, consisting of two articulated flat plates with mutually perpendicular reflective surfaces adjacent to the face of the conductive plate and perpendicular to it. The mirror is oriented in such a way that the SEW fall on its reflective surface at an angle of 45 °. The technical result consists in increasing reliability, reducing the size and reducing the time of reconfiguration of the device. 2 ill.

Description

Полезная модель относится к оптике инфракрасного (ИК) и терагерцового (ТГц) диапазонов и может найти применение в установках, содержащих широполосные источники ИК и ТГц излучения (нагретое тело, синхротрон, импульсные лазеры), в ТГц плазменной и фурье-спектроскопии проводящей поверхности и тонких слоев на ней, в перестраиваемых фильтрах ИК и ТГц излучения.The utility model relates to the optics of the infrared (IR) and terahertz (THz) ranges and can be used in installations containing broadband sources of IR and THz radiation (heated body, synchrotron, pulsed lasers), in THz plasma and Fourier spectroscopy of a conducting surface and thin layers on it, in tunable IR and THz filters.

Основным способом управления спектром пучка широкополосного ИК излучения является пропускание его через селективный по частоте фильтр [Э. Ангерер. Техника физического эксперимента // М.: Физматлит, 1962. с. 317-324]. По своему принципу действия оптические фильтры подразделяют на абсорбционные (изготовленные из веществ, имеющих полосы поглощения в пределах спектра пучка), интерференционные (состоящие из прозрачной пластины, поверхность которой содержит многослойное покрытие с чередующимися высоким и низким показателями преломления), отражательные (действие которых основано на спектральной зависимости отражения непрозрачного материала), поляризационные (их применение основано на том, что отраженное объектом излучение частично поляризовано), дисперсионные (функционирующие на основе зависимости показателя преломления вещества фильтра от длины волны). Интенсивность излучения в пределах полос поглощения изменяют путем изменения расстояния, проходимого излучением в веществе фильтра. Основными недостатками таких фильтров являются ограниченность диапазона частот, подвергаемого регулировке и определяемого расположением полос поглощения вещества фильтра на оси частот, а также - невозможность оперативного управления спектром пучка.The main way to control the spectrum of a broadband infrared beam is to pass it through a frequency-selective filter [E. Angerer. The technique of a physical experiment // M .: Fizmatlit, 1962. p. 317-324]. According to their principle of operation, optical filters are divided into absorption (made of substances having absorption bands within the beam spectrum), interference (consisting of a transparent plate, the surface of which contains a multilayer coating with alternating high and low refractive indices), reflective (the action of which is based on spectral dependence of the reflection of an opaque material), polarization (their use is based on the fact that the radiation reflected by the object is partially polarized), rsionnye (functioning on the basis of dependence of refractive index of the wavelength filter). The radiation intensity within the absorption bands is changed by changing the distance traveled by the radiation in the filter material. The main disadvantages of such filters are the limited frequency range to be adjusted and determined by the location of the absorption bands of the filter substance on the frequency axis, as well as the impossibility of operational control of the beam spectrum.

Известны фильтры для управления спектром широкополосного ТГц излучения, содержащие фокусирующий объектив и плоский проводящий экран с упорядоченным набором идентичных отверстий, форма и размер которых определяет местоположение и ширину полосы пропускания фильтра на оси частот [Melo A.M., Kornberg М.А., Kaufmann P. et al. Metal mesh resonant filters for terahertz frequencies // Applied Optics, 2008, v.47, No.32, р.6064-6069]. Основным недостатком известного устройства является невозможность оперативного управления амплитудно-частотным спектром проходящего через него излучения.Known filters for controlling the spectrum of broadband THz radiation, containing a focusing lens and a flat conductive screen with an ordered set of identical holes, the shape and size of which determines the location and bandwidth of the filter on the frequency axis [Melo AM, Kornberg MA, Kaufmann P. et al. Metal mesh resonant filters for terahertz frequencies // Applied Optics, 2008, v. 47, No.32, p. 6064-6069]. The main disadvantage of the known device is the impossibility of operational control of the amplitude-frequency spectrum of the radiation passing through it.

Наиболее близким к заявляемому устройству по технической сущности является устройство для управления спектром пучка широкополосного ТГц излучения, содержащее поляризатор, фокусирующий объектив, элемент преобразования объемного излучения в поверхностные электромагнитные волны (ПЭВ), проводящую пластину с плоской гранью, способной направлять эти ПЭВ, экран, поглощающий не преобразованное в ПЭВ объемное излучение, подвижную платформу, на которой укреплены объектив, элемент преобразования и экран [Жижин Г.Н., Князев Б.А., Никитин А.К., Герасимов В.В. Способ управления спектром пучка широкополосного терагерцового излучения // Патент РФ на изобретение №2491587, Бюл. №24 от 27.08.2013 г.]. Основными недостатками известного устройства являются низкая надежность работы устройства, что обусловлено необходимостью перемещения элемента преобразования в процессе перестройки фильтра, а также его большие размеры, сопоставимые с длиной распространения ПЭВ, имеющей минимальную частоту рабочего диапазона.Closest to the claimed device in technical essence is a device for controlling the spectrum of a broadband THz radiation beam containing a polarizer, a focusing lens, an element for converting volume radiation into surface electromagnetic waves (SEW), a conductive plate with a flat face capable of directing these SEWs, an absorbing screen volumetric radiation not converted to SEV, a movable platform on which the lens, conversion element, and screen are mounted [Zhizhin GN, Knyazev B.A., Nikitin A.K., Hera imov VV The way to control the spectrum of a beam of broadband terahertz radiation // RF patent for the invention No. 2491587, Bull. No. 24 dated 08/27/2013]. The main disadvantages of the known device are the low reliability of the device, due to the need to move the conversion element in the process of tuning the filter, as well as its large size, comparable with the propagation length of the sewage system having a minimum frequency of the operating range.

Технический результат направлен на повышение надежности работы устройства, уменьшение его размеров и времени перенастройки.The technical result is aimed at improving the reliability of the device, reducing its size and time of reconfiguration.

Технический результат достигается тем, что устройство для управления спектром коллимированного пучка широкополосного инфракрасного излучения, содержащее источник излучения, поляризатор, фокусирующий цилиндрический объектив, элемент преобразования объемного излучения в поверхностные электромагнитные волны (ПЭВ), проводящую пластину с плоской гранью, способной направлять эти ПЭВ, размещенный в окружающей среде над треком ПЭВ на расстоянии не меньше глубины проникновения поля ПЭВ в среду экран, поглощающий не преобразованное в ПЭВ объемное излучение, и подвижную платформу, способную перемещаться в плоскости, параллельной грани пластины, дополнительно содержит укрепленное на платформе уголковое зеркало, состоящее из двух сочлененных плоских пластин с взаимно перпендикулярными отражающими поверхностями, примыкающими к грани проводящей пластины и перпендикулярными к ней, причем зеркало ориентировано таким образом, что ПЭВ падают на его отражающие поверхности под углом в 45°.The technical result is achieved in that a device for controlling the spectrum of a collimated beam of broadband infrared radiation, comprising a radiation source, a polarizer, a focusing cylindrical lens, an element for converting volume radiation into surface electromagnetic waves (SEWs), a conductive plate with a flat face, capable of directing these SEWs, placed in the environment above the SEW track at a distance not less than the depth of penetration of the SEW field into the medium, a screen absorbing not converted into SEW about removable radiation, and a movable platform capable of moving in a plane parallel to the plate face, further comprises a corner mirror mounted on the platform, consisting of two articulated flat plates with mutually perpendicular reflective surfaces adjacent to the face of the conductive plate and perpendicular to it, and the mirror is oriented in such a way so that SEW fall on its reflective surface at an angle of 45 °.

Все три поставленные цели по совершенствованию устройства достигаются введением в его состав вышеописанного уголкового зеркала, размещаемого на подвижной платформе, перемещаемой вдоль трека пучка ПЭВ. Возможность применения плоских зеркал для отражения ИК ПЭВ обоснована и апробирована в статье [Герасимов В.В., Князев Б.А., Никитин А.К. Отражение монохроматических поверхностных плазмон-поляритонов терагерцевого диапазона плоским зеркалом // Квантовая электроника, 2017, т.47 (1), с. 65-70].All three of the set goals for improving the device are achieved by introducing into its composition the above-described corner mirror placed on a movable platform, moved along the track of the SEW beam. The possibility of using flat mirrors to reflect IR SEW is substantiated and tested in the article [Gerasimov VV, Knyazev B.A., Nikitin A.K. Reflection of monochromatic surface plasmon polaritons of the terahertz range with a flat mirror // Quantum Electronics, 2017, v. 47 (1), p. 65-70].

Наличие в устройстве такого зеркала позволяет изменять длину пробега ПЭВ (с целью перенастройки спектра пропускания устройства) не путем перемещения элемента преобразования, а в результате изменения местоположения зеркала на направляющей ПЭВ поверхности; при этом элемент преобразования (обычно дифракционного типа) остается неподвижным, что обуславливает неизменность условий преобразования объемного излучения в ПЭВ и, следовательно, неизменность спектра ПЭВ на выходе элемента. Выполнение этого условия (неизменности условий преобразования, а значит, и спектра ПЭВ в начале трека) способствует повышению надежности и корректности работы устройства.The presence of such a mirror in the device allows you to change the path length of the SEW (in order to reconfigure the transmission spectrum of the device) not by moving the conversion element, but as a result of changing the location of the mirror on the surface of the SEW guide; in this case, the conversion element (usually of the diffraction type) remains stationary, which leads to the invariance of the conditions for the conversion of bulk radiation into SEW and, therefore, the invariance of the SEW spectrum at the output of the element. Fulfillment of this condition (the invariance of the conversion conditions, and hence the SEW spectrum at the beginning of the track) contributes to the reliability and correct operation of the device.

Кроме того, неподвижность элемента преобразования исключает необходимость трудоемкой и продолжительной процедуры его юстировки при перенастройке спектра пропускания устройства, что позволяет сократить время подготовки устройства к функционированию с новым спектром пропускания.In addition, the immobility of the conversion element eliminates the need for a laborious and lengthy procedure for its adjustment when reconfiguring the transmission spectrum of the device, which reduces the time it takes to prepare the device for operation with a new transmission spectrum.

И, наконец, использование уголкового зеркала, изменяющего направление распространения ПЭВ на обратное при сохранении длины пробега ПЭВ, позволяет сократить протяженность грани проводящей пластины в два раза при незначительном увеличении ее ширины.And, finally, the use of a corner mirror that reverses the direction of propagation of SEWs to the opposite, while maintaining the mean free path of SEWs, allows us to reduce the length of the face of the conductive plate by half with a slight increase in its width.

Изобретение поясняется чертежами: на фиг. 1 - схема устройства, реализующего способ; на фиг. 2 - частотные зависимости интенсивности в пучке ТГц излучения синхротрона до плазмонного фильтра и после него при различных длинах пробега ПЭВ по границе раздела "золото - вакуум".The invention is illustrated by drawings: in FIG. 1 is a diagram of a device that implements the method; in FIG. 2 — frequency dependences of the intensity in the THz beam of the synchrotron radiation before and after the plasmon filter at various mean free paths along the gold – vacuum interface.

На Фиг. 1 приведена схема (вид сверху) заявляемого устройства, где цифрами обозначены: 1 - источник коллимированного широкополосного ИК излучения; 2 - регулируемый поляризатор; 3 - плоская грань проводящей пластины, способная направлять ПЭВ; 4 - цилиндрический фокусирующий объектив; 5 - элемент преобразования излучения в ПЭВ; 6 - экран, поглощающий не преобразованное в ПЭВ объемное излучение и размещенный в окружающей среде над треком ПЭВ на расстоянии не меньше глубины проникновения поля ПЭВ в среду; 7 - уголковое зеркало, состоящее из двух сочлененных плоских пластин с взаимно перпендикулярными отражающими поверхностями, примыкающими к грани 3 и перпендикулярными к ней, причем зеркало ориентировано таким образом, что ПЭВ падают на его отражающие поверхности под углом в 45°; 8 - платформа, содержащая зеркало 7 и способная перемещаться вдоль грани 3.In FIG. 1 shows a diagram (top view) of the claimed device, where the numbers denote: 1 - a source of collimated broadband infrared radiation; 2 - adjustable polarizer; 3 - a flat face of a conductive plate capable of guiding a SEW; 4 - cylindrical focusing lens; 5 - element for the conversion of radiation into SEW; 6 - a screen that absorbs volumetric radiation not converted to SEW and placed in the environment above the SEW track at a distance not less than the depth of penetration of the SEW field into the medium; 7 - a corner mirror, consisting of two articulated flat plates with mutually perpendicular reflective surfaces adjacent to the face 3 and perpendicular to it, and the mirror is oriented so that the SEW fall on its reflective surface at an angle of 45 °; 8 is a platform containing a mirror 7 and is able to move along the edge 3.

Заявляемое устройство работает следующим образом. Излучение источника 1 проходит через поляризатор 2, который выделяет из излучения p-составляющую относительно грани 3 проводящей пластины. Линейно поляризованное излучение фокусируется объективом 4 в линию, совпадающую со щелевым входом элемента 5, преобразующего объемное излучение источника 1 в направляемый гранью 3 коллимированный пучок ПЭВ. Паразитные объемные волны, порождаемые в результате дифракции на элементе 5, поглощаются экраном 6. Дойдя до первой отражающей грани уголкового зеркала 7, пучок ПЭВ отражается ею на вторую грань этого зеркала, которая отбрасывает его в направлении, обратном направлению падающего на зеркало пучка. Дойдя до края грани 3, пучок ПЭВ дифрагирует на нем и преобразуется в объемное излучение, имеющее спектр, определяемый длиной пробега ПЭВ. Изменение спектра излучения происходит в процессе распространения ПЭВ и обусловлено частотной зависимостью (дисперсией) коэффициента затухания ПЭВ, величина которого пропорциональна квадрату частоты излучения (в отсутствие радиационных потерь ПЭВ из-за наличия неоднородностей на поверхности грани 3). Перемещая зеркало 7 вдоль трека ПЭВ, можно изменять длину пробега ПЭВ и, следовательно, спектральный состав излучения, достигающего края грани 3 и излучаемого с него. При этом элемент преобразования 5 остается неподвижным и не требует корректирующей юстировки, что способствует повышению надежности работы устройства и сокращению времени его перенастройки, а разворот пучка ПЭВ на 180° позволяет уменьшить длину грани 3 в два раза.The inventive device operates as follows. The radiation of the source 1 passes through the polarizer 2, which emits from the radiation the p-component relative to the face 3 of the conductive plate. The linearly polarized radiation is focused by the lens 4 into a line coinciding with the slot input of the element 5, which converts the volume radiation of the source 1 into a collimated PEV beam directed by the face 3. Spurious body waves generated as a result of diffraction by element 5 are absorbed by the screen 6. Having reached the first reflecting face of the corner mirror 7, it reflects the SEW beam onto the second face of this mirror, which rejects it in the direction opposite to the beam incident on the mirror. Having reached the edge of facet 3, the SEW beam diffracts on it and is converted into volume radiation having a spectrum determined by the mean free path of the SEW. A change in the emission spectrum occurs during the propagation of the SEW and is caused by the frequency dependence (dispersion) of the SEW attenuation coefficient, the value of which is proportional to the square of the radiation frequency (in the absence of radiation losses of the SEW due to the presence of inhomogeneities on the surface of face 3). Moving the mirror 7 along the SEW track, it is possible to change the mean free path of the SEW and, therefore, the spectral composition of the radiation reaching the edge of the face 3 and emitted from it. In this case, the conversion element 5 remains stationary and does not require corrective adjustment, which helps to increase the reliability of the device and reduce the time of its reconfiguration, and the turn of the sew beam by 180 ° allows to reduce the length of the face 3 by half.

В качестве примера применения заявляемого устройства рассмотрим возможность управления спектром пучка излучения синхротрона, содержащим непрерывный ряд гармонических компонент в диапазоне частот от 50 см^-1 до 700 см^-1, что соответствует длинам волн от 200 мкм до 14,3 мкм. Для этого в качестве фильтра выберем оптическую поверхность золота, диэлектрическую проницаемость которого будем рассчитывать по модели Друде, полагая столкновительную частоту свободных электронов равной 215 см^-1, а плазменную - 72800 см^-1 [Ordal М.А., Bell R.J., Alexander R.W., Long L.L., and Querry M.R. Optical properties of fourteen metals in the infrared and far infrared: Al, Co, Cu, Au, Fe, Pb, Mo, Ni, Pd, Pt, Ag, Ti, V, and W // Applied Optics, 1985, v.24(24), p.4493-4499]. Преобразование излучения синхротрона в ПЭВ будем осуществлять методом дифракции излучения источника на прямоугольном крае согласующего элемента в форме сегмента цилиндра, описанным в [Герасимов В.В., Князев Б.А., Никитин А.К. Отражение монохроматических поверхностных плазмон-поляритонов терагерцевого диапазона плоским зеркалом // Квантовая электроника, 2017, т.47 (1), с. 65-70] и позволяющим эффективно реализовывать преобразование как в ТГц, так и в ИК диапазоне.As an example of the application of the claimed device, we consider the possibility of controlling the spectrum of a synchrotron radiation beam containing a continuous series of harmonic components in the frequency range from 50 cm ^-1 to 700 cm ^-1 , which corresponds to wavelengths from 200 μm to 14.3 μm. For this, we select the optical surface of gold, the dielectric constant of which will be calculated according to the Drude model, assuming the collision frequency of free electrons to be 215 cm ^-1 and the plasma frequency to 72800 cm ^-1 [Ordal MA, Bell RJ, Alexander RW, Long LL, and Querry MR Optical properties of fourteen metals in the infrared and far infrared: Al, Co, Cu, Au, Fe, Pb, Mo, Ni, Pd, Pt, Ag, Ti, V, and W // Applied Optics 1985, v. 24 (24), p.4493-4499]. Conversion of the synchrotron radiation into the SEW will be carried out by the method of diffraction of the radiation of the source on the rectangular edge of the matching element in the form of a cylinder segment described in [Gerasimov VV, Knyazev BA, Nikitin AK Reflection of monochromatic surface plasmon polaritons of the terahertz range with a flat mirror // Quantum Electronics, 2017, v. 47 (1), p. 65-70] and allowing to efficiently implement the conversion both in THz and in the IR range.

На Фиг. 2 приведены расчетные частотные зависимости интенсивности в пучке излучения синхротрона до плазмонного фильтра (сплошная линия) и после него при длине пробега ПЭВ Δх по границе раздела "золото - вакуум", равной 10 см, 20 см и 50 см. Видно, что при Δx=50 см компоненты с частотами, превышающими 600 см^-1, ослабляются более чем в 100 раз, в то время как интенсивность компонент с частотами, близкими к 200 см^-1, ослабляется всего в 2 раза. Перемещая подвижную платформу 8 с укрепленным на ней зеркалом 7, можно оперативно изменять длину пробега пучка ПЭВ, изменяя тем самым соотношение интенсивностей гармонических компонент в пучке излучения на выходе плазмонного фильтра.In FIG. Figure 2 shows the calculated frequency dependences of the intensity in the synchrotron radiation beam before the plasmon filter (solid line) and after it for the SEW Δx path length along the gold – vacuum interface equal to 10 cm, 20 cm, and 50 cm. It can be seen that at Δx = 50 cm components with frequencies in excess of 600 cm ^-1 are attenuated more than 100 times, while the intensity of components with frequencies close to 200 cm ^-1 is attenuated only 2 times. By moving the movable platform 8 with the mirror 7 fixed on it, it is possible to quickly change the mean free path of the SEW beam, thereby changing the ratio of the intensities of the harmonic components in the radiation beam at the output of the plasmon filter.

Таким образом, рассмотренный пример наглядно демонстрирует возможность повышения надежности работы регулируемого устройства для управления спектром коллимированного пучка широкополосного излучения, сокращения времени его перенастройки и уменьшения размеров за счет размещения на пути излучения в форме ПЭВ перемещаемого вдоль их трека уголкового зеркала, разворачивающего пучок ПЭВ в обратном направлении.Thus, the considered example clearly demonstrates the possibility of increasing the reliability of the adjustable device for controlling the spectrum of a collimated broadband radiation beam, reducing the time of its reconfiguration, and reducing the size by placing an angular mirror moving along their track, reversing the radiation beam in the opposite direction .

Claims

A device for controlling the spectrum of a collimated beam of broadband infrared radiation containing a radiation source, a polarizer, a focusing cylindrical lens, an element for converting volume radiation into surface electromagnetic waves (SEW), a conductive plate with a flat face capable of directing these SEWs placed in the environment above the SEW track at a distance not less than the depth of penetration of the SEW field into the medium, a screen that absorbs volume radiation not converted to SEW, and a mobile platform, moving in a plane parallel to the face of the plate, characterized in that it further comprises a corner mirror mounted on the platform, consisting of two articulated flat plates with mutually perpendicular reflective surfaces adjacent to the face of the conductive plate and perpendicular to it, and the mirror is oriented in such a way that PEV fall on its reflective surface at an angle of 45 °.