Применение HCN-лазера для измерения фазовых характеристик одномерных проволочных решеток

Предложен новый способ определения фазового сдвига электромагнитной волны, прошедшей сквозь одномерную проволочную решетку при нормальном падении на нее. Для реализации предложенного способа использовался HCN-лазер, широко применяемый в качестве источника излучения в терагерцевом диапазоне длин во...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2011
Hauptverfasser:	Андренко, С.А., Каменев, Ю.Е.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України 2011
Schriftenreihe:	Радіофізика та електроніка
Schlagworte:	Вакуумна та твердотільна електроніка
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/78040
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Применение HCN-лазера для измерения фазовых характеристик одномерных проволочных решеток / С.А. Андренко, Ю.Е. Каменев // Радіофізика та електроніка. — 2011. — Т. 2(16), № 1. — С. 50-53. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-78040
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-780402015-03-11T03:02:17Z Применение HCN-лазера для измерения фазовых характеристик одномерных проволочных решеток Андренко, С.А. Каменев, Ю.Е. Вакуумна та твердотільна електроніка Предложен новый способ определения фазового сдвига электромагнитной волны, прошедшей сквозь одномерную проволочную решетку при нормальном падении на нее. Для реализации предложенного способа использовался HCN-лазер, широко применяемый в качестве источника излучения в терагерцевом диапазоне длин волн. Выходное зеркало такого лазера было выполнено в виде измеряемой решетки и сплошного зеркала с отверстием. Методологически способ основан на определении разностной длины лазерного резонатора при поочередной генерации лазерного излучения на двух поляризациях: параллельной проволокам решетки и перпендикулярной. A new method of determining the phase shift of electromagnetic waves transmitted through the one-dimensional wire grating with its normal incidence on the grating. To implement the proposed method HCN-laser was applied, which is widely used as a source of radiation in the THz range. The output mirror of the laser was made in the form of the grating and the solid mirror with an aperture. Methodologically this method is based on determination of the difference in the length of the laser resonator with sequential generation at two polarizations: parallel and perpendicular to the wires of the grating. Запропоновано новий спосіб визначення фазового зсуву електромагнітної хвилі, що пройшла крізь одновимірну дротяну решітку при нормальному падінні на неї. Для реалізації запропонованого способу був використаний HCN-лазер, який широко застосовується як джерело випромінювання у терагерцевому діапазоні довжин хвиль. Вихідне дзеркало такого лазера було виконано у вигляді вимірюваної решітки та суцільного дзеркала з отвором. Методологічно спосіб ґрунтується на визначенні різницевої довжини лазерного резонатора при почерговій генерації лазерного випромінювання на двох поляризаціях: паралельній дротам решітки та перпендикулярній. 2011 Article Применение HCN-лазера для измерения фазовых характеристик одномерных проволочных решеток / С.А. Андренко, Ю.Е. Каменев // Радіофізика та електроніка. — 2011. — Т. 2(16), № 1. — С. 50-53. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. 1028-821X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/78040 621.373.826.038.823 ru Радіофізика та електроніка Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Вакуумна та твердотільна електроніка Вакуумна та твердотільна електроніка
spellingShingle	Вакуумна та твердотільна електроніка Вакуумна та твердотільна електроніка Андренко, С.А. Каменев, Ю.Е. Применение HCN-лазера для измерения фазовых характеристик одномерных проволочных решеток Радіофізика та електроніка
description	Предложен новый способ определения фазового сдвига электромагнитной волны, прошедшей сквозь одномерную проволочную решетку при нормальном падении на нее. Для реализации предложенного способа использовался HCN-лазер, широко применяемый в качестве источника излучения в терагерцевом диапазоне длин волн. Выходное зеркало такого лазера было выполнено в виде измеряемой решетки и сплошного зеркала с отверстием. Методологически способ основан на определении разностной длины лазерного резонатора при поочередной генерации лазерного излучения на двух поляризациях: параллельной проволокам решетки и перпендикулярной.
format	Article
author	Андренко, С.А. Каменев, Ю.Е.
author_facet	Андренко, С.А. Каменев, Ю.Е.
author_sort	Андренко, С.А.
title	Применение HCN-лазера для измерения фазовых характеристик одномерных проволочных решеток
title_short	Применение HCN-лазера для измерения фазовых характеристик одномерных проволочных решеток
title_full	Применение HCN-лазера для измерения фазовых характеристик одномерных проволочных решеток
title_fullStr	Применение HCN-лазера для измерения фазовых характеристик одномерных проволочных решеток
title_full_unstemmed	Применение HCN-лазера для измерения фазовых характеристик одномерных проволочных решеток
title_sort	применение hcn-лазера для измерения фазовых характеристик одномерных проволочных решеток
publisher	Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України
publishDate	2011
topic_facet	Вакуумна та твердотільна електроніка
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/78040
citation_txt	Применение HCN-лазера для измерения фазовых характеристик одномерных проволочных решеток / С.А. Андренко, Ю.Е. Каменев // Радіофізика та електроніка. — 2011. — Т. 2(16), № 1. — С. 50-53. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.
series	Радіофізика та електроніка
work_keys_str_mv	AT andrenkosa primeneniehcnlazeradlâizmereniâfazovyhharakteristikodnomernyhprovoločnyhrešetok AT kamenevûe primeneniehcnlazeradlâizmereniâfazovyhharakteristikodnomernyhprovoločnyhrešetok
first_indexed	2025-07-06T02:13:45Z
last_indexed	2025-07-06T02:13:45Z
_version_	1836861910003220480
fulltext	ВВААККУУУУММННАА ТТАА ТТВВЕЕРРДДООТТІІЛЛЬЬННАА ЕЕЛЛЕЕККТТРРООННІІККАА _________________________________________________________________________________________________________________ __________ ISSN 1028–821X Радіофізика та електроніка, 2011, том 2(16), № 1 © ІРЕ НАН України, 2011 УДК 621.373.826.038.823 С. А. Андренко, Ю. Е. Каменев ПРИМЕНЕНИЕ HCN-ЛАЗЕРА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ФАЗОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ОДНОМЕРНЫХ ПРОВОЛОЧНЫХ РЕШЕТОК Институт радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова НАН Украины 12, ул. Ак. Проскуры, Харьков, 61085, Украина E-mail: kamenev@ire.kharkov.ua Предложен новый способ определения фазового сдвига электромагнитной волны, прошедшей сквозь одномерную про- волочную решетку при нормальном падении на нее. Для реализации предложенного способа использовался HCN-лазер, широко применяемый в качестве источника излучения в терагерцевом диапазоне длин волн. Выходное зеркало такого лазера было выпол- нено в виде измеряемой решетки и сплошного зеркала с отверстием. Методологически способ основан на определении разностной длины лазерного резонатора при поочередной генерации лазерного излучения на двух поляризациях: параллельной проволокам решетки и перпендикулярной. Ил. 3. Табл. 1. Библиогр.: 8 назв. Ключевые слова: одномерная проволочная решетка, фазовый сдвиг, поляризация, лазерное излучение, HCN-лазер. Одномерно-периодические решетки ши- роко используются в различных отраслях физики и техники. Имеются глубокие теоретические иссле- дования различных периодических структур, кото- рые позволяют не только теоретически изучать их общие свойства, но и выявлять специфические свойства, присущие каждой структуре в отдель- ности [1, 2]. Что касается экспериментального определения электродинамических параметров периодических структур, то таких исследований очень мало. Широкое применение периодических структур в виде одномерных проволочных реше- ток (ОПР) при освоении терагерцевого диапазона электромагнитного спектра вызвало потребность экспериментального определения электродинами- ческих параметров таких структур. Ранее проводи- лись экспериментальные исследования по опреде- лению параметров ОПР в мм диапазоне [3, 4]. В работах [5, 6] был сделан краткий ана- лиз теоретических и экспериментальных иссле- дований в этой области и предложен способ определения параметров ОПР (коэффициента пропускания и фазового сдвига прошедшей сквозь решетку волны), основанный на использо- вании исследуемой решетки в качестве выходно- го зеркала резонатора HCN-лазера. Резонатор такого лазера был образован 90 двугранным зеркалом (уголковый отража- тель) и исследуемой ОПР. В данном способе ис- пользовалось известное свойство двугранного зеркала изменять азимут поляризации отражен- ной от него волны на угол 2, где  – угол между направлением вектора поляризации падающей волны на двугранное зеркало и ребром этого зер- кала. При этом если   0, то выходное лазерное излучение будет представлено в виде волны с двумя ортогонально поляризованными компонен- тами: с параллельной и перпендикулярной прово- локам ОПР поляризацией. Установив угол , при котором обе компоненты равны, требуемые па- раметры вычислялись при помощи простых соот- ношений [5, 6]. При этом параметр решетки λl / (l – период решетки,  – длина волны) должен удовлетворять условию 1 . В нашей работе предложен новый спо- соб определения фазового сдвига ОПР, позволя- ющий измерять решетки ( 1 ) по упрощенной методике, используя при этом менее сложный экспериментальный лазерный излучатель. 1. Методика измерений и техника про- ведения эксперимента. В экспериментальной установке использовался HCN-лазер (рис. 1): ре- зонатор содержит гибридное выводное зерка- ло [7, 8] в виде сопряженных плоского зеркала с отверстием и исследуемой ОПР, установленных на расстоянии 2/nLL  . Здесь L соответ- ствует фазовому сдвигу, который обусловлен данной ОПР, n  0, 1, 2, 3, …,  – длина волны. Рис. 1. Схема лазерного генератора: 1 – ВЧ-генератор; 2 – глу- хое зеркало; 3 – ОПР; 4 – плоское зеркало с отверстием Накачка активной среды производилась при помощи ВЧ-генератора 1, работающего на частоте 13,5 МГц. Известно, что Е-компонента прошедшей сквозь ОПР волны (поляризация параллельна проволокам ОПР) получает по сравнению с па- дающей фазовый сдвиг, при этом волна как бы 1 м 2 38 мм 1 3 4 L mailto:kamenev@ire.kharkov.ua С. А. Андренко, Ю. Е. Каменев / Применение HCN-лазера для измерения… _________________________________________________________________________________________________________________ 51 «проваливается» сквозь решетку (ускоряется ею). Устанавливая плоское зеркало с отверстием на расстоянии, соответствующем фазовому сдвигу ОПР (L), получали максимальную выходную мощность лазерного излучения [7, 8]. Поляриза- ция лазерного излучения при этом задавалась проволоками ОПР и была им параллельна. Характерная экспериментальная зависи- мость мощности лазерного излучения от расстоя- ния между исследуемой ОПР и плоским зеркалом показана на рис. 2. Рис. 2. Зависимость мощности лазерного излучения от рассто- яния между исследуемой ОПР (6015 мкм) и плоским зерка- лом Максимальное значение мощности излу- чения соответствует режиму настройки резонато- ра лазера на рабочую моду. Очевидно, такая зави- симость будет повторяться через 2/λ . В рабо- тах [7, 8] было показано, что такой лазер может работать с выводным зеркалом в виде плоского зеркала с отверстием определенных диаметров. При этом лазерный источник (рис. 1) может рабо- тать в двух режимах: – лазерная генерация пучка с поляризацией, параллельной проволокам решетки (E-поляриза- ция) при работе лазерного резонатора в конфигу- рации гибридного выводного зеркала; – лазерная генерация пучка с поляризацией, ортогональной проволокам решетки (H-поляриза- ция), при этом выводным зеркалом будет служить сплошное зеркало с отверстием, а исследуемая ОПР – поляризатором. Необходимо отметить, что H-поляри- зованная волна, прошедшая сквозь исследуемую ОПР, также испытывает незначительный сдвиг фазы, которым в рамках настоящей работы пре- небрегают. Такие режимы можно реализовать при условии изменения расстояния между зеркалами резонатора, что достигается путем продольного перемещения зеркала 2. Величина такого пере- мещения L задается фазовым сдвигом ОПР , который вычисляется по формуле ,/360 λL  (1) где   337 мкм. 2. Экспериментальные и теоретические результаты. По описанной методике в режиме максимальной выходной мощности (см. рис. 2) измерялась разница (с точностью 1 мкм) в рас- стоянии между двумя зеркалами резонатора при поочередной генерации лазера на двух ортого- нальных поляризациях. Полученные значения этой разницы L использовались для вычисления фазового сдвига исследуемых ОПР. Результаты вычислений приведены в таблице. Период решетки l, мкм Диаметр проволок d, мкм l ∆φ экспе- римент,  ∆φ теория,  50 10 0,148 81,6 82,65 42 10 0,125 89,7 86,43 30 10 0,089 98,3 90,41 Расчетные зависимости величины фазо- вого сдвига получали путем использования тео- ретических выкладок [1]. Задача дифракции на решетке из элементов круглого поперечного се- чения сводится к двум независимым решениям: – магнитное поле параллельно проволо- кам (Н-поляризация), при этом Ех  0 и все ком- поненты поля выражаются через Нх; – случай, когда вектор электрического поля па- раллелен проводникам (Е-поляризация), при этом Нх  0 и все компоненты выражаются через Ех. Для каждой из поляризаций при помощи метода интегральных уравнений получают беско- нечные системы линейных алгебраических уравне- ний относительно неизвестных амплитуд волн про- странственного спектра дифрагированного поля. Системы уравнений получены в результате ис- пользования соответствующих граничных усло- вий на металле и щели решетки. Путем усечения этих систем выделяют конечную систему уравне- ний, на основе которой проводится приближен- ное аналитическое решение задачи дифракции. Для случая длинноволнового приближения теоретическая оценка фазового сдвига исследуемых ОПР в случае нормального падения электро- магнитной волны на решетку может быть прове- дена по следующим выражениям [1]: );argexp( 12 1 1 1 )ln(21 1 1 22 EE E TiT S iQ iQ Si T                          (2) 0 50 100 150 200 250 300 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 L, мкм W , о тн . ед . С. А. Андренко, Ю. Е. Каменев / Применение HCN-лазера для измерения… _________________________________________________________________________________________________________________ 52  ,argexp 12 1 )1( 2 1 1 1 22 2 HH H TiT S iQQ iQT                         (3) где ; 4 22S Q   ТЕ и ТН – комплексные коэффи- циенты пропускания ОПР для компонент с Е- и Н-поляризациями соответственно; d – диаметр проволок; l – шаг решетки; S  d/l;   l/d. По этим формулам можно определить модуль (коэф- фициент пропускания) и аргумент (сдвиг фазы) комплексных коэффициентов пропускания с по- грешностью 1 % при  ≤ 0,3 и S ≤ 0,3. В данной работе не рассматривается случай Н-поляриза- ции, так как в этом случае S мало и ее влияние незначительно. На рис. 3 представлена теорети- ческая зависимость фазового сдвига от электро- динамического параметра решетки . Сдвиг фазы исследуемых ОПР задает расстояние между дан- ной решеткой и зеркалом с отверстием при гене- рации на ортогональных поляризациях. Рис. 3. Зависимость фазового сдвига от электродинамического параметра ОПР κ при   337 мкм: сплошная кривая – теоре- тические значения; * – экспериментальные значения для ре- шеток с периодами: 1 – 30 мкм; 2 – 42 мкм; 3 – 50 мкм Сравнение теоретических и эксперимен- тальных результатов (см. таблицу и рис. 3) дает несоответствие менее 10 %. Необходимо также отметить тенденцию к лучшему соответствию теоретических и экспериментальных результатов при увеличении периода исследуемых ОПР, что коррелирует с результатами работы [5], где также замечено расхождение между теоретическими и экспериментальными результатами при умень- шении периода исследуемых ОПР. Выводы. Таким образом, наши результа- ты подтвердили принципиальную достоверность теоретических предпосылок и экспериментальной методики, а расхождение между теоретическими и экспериментальными результатами при увели- чении параметра S требует уточнения теоретиче- ских предпосылок, в которых следует учитывать дополнительные физические факторы, например взаимодействие между соседними проволоками, скин-эффект и др., а в экспериментальном плане – учета фазового сдвига для Н-поляризации, кото- рый увеличивается при увеличении S. Ценность предложенного способа заключается в примени- мости его для определения фазового сдвига как «густых» ( << 1), так и «редких» ( ≤ 1) ОПР с произвольным профилем проволок. 1. Дифракция волн на решетках / В. П. Шестопалов, Л. Н. Литвиненко, С. А. Масалов, В. Г. Сологуб. – Х.: Изд-во Харьков. гос. ун-та, 1973. – 289 с. 2. Дифракционные решетки: в 2 т. Т. 1. Резонансное рассеяние волн / В. П. Шестопалов, А. А. Кириленко, С. А. Масалов, Ю. К. Сиренко. – К.: Наук. думка, 1986. – 232 с. 3. Субмиллиметровый ЛОВ спектрометр «Эпсилон» / А. А. Волков, Г. В. Козлов, С. П. Лебедев, В. И. Мальцев. – М., 1981. – 17 с. – (Препринт / АН СССР. Физический ин-т; № 80). 4. Горшунов Б. П. Использование металлических решеток в качестве фазовых пластинок субмиллиметрового диапа- зона / Б. П. Горшунов, С. П. Лебедев, С. А. Масалов // Журн. техн. физики. – 1984. – 54, вып. 4. – С. 825–827. 5. Каменев Ю. Е. Применение субмиллиметрового HCN-ла- зера для определения электродинамических параметров одномерных проволочных решеток / Ю. Е. Каменев, С. А. Масалов, А. А. Филимонова // Квантовая электрон. – 2005. – 35, № 4. – С. 375–377. 6. Каменев Ю. Е. Измерение электродинамических парамет- ров одномерных проволочных решеток в субмиллиметро- вом диапазоне / Ю. Е. Каменев, С. А. Масалов, А. А. Фили- монова // Радиофизика и электрон.: сб. науч. тр. / Ин-т ра- диофизики и электрон. НАН Украины. – Х., 2004. – 9, № 3. – С. 615–618. 7. Каменев Ю. Е. HCN-лазер с адаптивным выводным зерка- лом / Ю. Е. Каменев, С. А. Масалов, А. А. Филимонова // Квантовая электрон. – 2006. – 36, № 9 – С. 849–852. 8. Каменев Ю. Е. HCN-лазер с гибридным выводным зерка- лом / Ю. Е. Каменев, С. А. Масалов, А. А. Филимонова // Радиофизика и электрон.: сб. науч. тр. / Ин-т радиофизики и электрон. НАН Украины. – Х., 2006. – 11, № 2. – С. 270–274. S. A. Andrenko, Yu. E. Kamenev HCN-LASER APPLICATION FOR MEASUREMENT OF ONE-DIMENSIONAL WIRE GRATINGS PHASE CHARACTERISTICS A new method of determining the phase shift of elec- tromagnetic waves transmitted through the one-dimensional wire grating with its normal incidence on the grating. To implement the proposed method HCN-laser was applied, which is widely used as a source of radiation in the THz range. The output mirror of the laser was made in the form of the grating and the solid mirror with an aperture. Methodologically this method is based on determina- tion of the difference in the length of the laser resonator with se- quential generation at two polarizations: parallel and perpendicular to the wires of the grating. Key words: one-dimensional wire grating, phase shift, polarization, laser radiation, HCN-laser. 0 0,1 0,2 0,3  90 80 70 60 50 1* 2 3  E ,  С. А. Андренко, Ю. Е. Каменев / Применение HCN-лазера для измерения… _________________________________________________________________________________________________________________ 53 С. А. Андренко, Ю. Ю. Каменєв ЗАСТОСУВАННЯ HCN-ЛАЗЕРА ДЛЯ ВИМІРЮВАННЯ ФАЗОВИХ ХАРАКТЕРИСТИК ОДНОВИМІРНИХ ДРОТЯНИХ РЕШІТОК Запропоновано новий спосіб визначення фазового зсуву електромагнітної хвилі, що пройшла крізь одновимірну дротяну решітку при нормальному падінні на неї. Для реалі- зації запропонованого способу був використаний HCN-лазер, який широко застосовується як джерело випромінювання у терагерцевому діапазоні довжин хвиль. Вихідне дзеркало такого лазера було виконано у вигляді вимірюваної решітки та суцільного дзеркала з отвором. Методологічно спосіб ґрунту- ється на визначенні різницевої довжини лазерного резонатора при почерговій генерації лазерного випромінювання на двох поляризаціях: паралельній дротам решітки та перпендикуляр- ній. Ключові слова: одновимірна дротяна решітка, фа- зовий зсув, поляризація, лазерне випромінювання, HCN-лазер. Рукопись поступила 08.09.10 г.

Применение HCN-лазера для измерения фазовых характеристик одномерных проволочных решеток

Institution

Ähnliche Einträge