Вращатель плоскости поляризации для широкополосного эллипсометра терагерцевого диапазона

Предмет и цель работы: Исследуется возможность создания широкополосного вращателя плоскости поляризации для длинноволновой части терагерцевого диапазона. Методы и методология: Для достижения поставленной цели были использованы результаты работы, в которой методом поляризационных матриц рассеяния рас...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2017
Автори:	Коcяк, О.С., Безбородов, В.И., Кузьмичев, И.К.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Радіоастрономічний інститут НАН України 2017
Назва видання:	Радиофизика и радиоастрономия
Теми:	Антенны, волноводная и квазиоптическая техника
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/122585
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Вращатель плоскости поляризации для широкополосного эллипсометра терагерцевого диапазона / О.С. Кocяк, В.И. Безбородов, И.К. Кузьмичев // Радиофизика и радиоастрономия. — 2017. — Т. 22, № 1. — С. 78-85. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-122585
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1225852025-02-09T21:36:51Z Вращатель плоскости поляризации для широкополосного эллипсометра терагерцевого диапазона Обертач площини поляризації для широкосмугового еліпсометра терагерцового діапазона Polarization Rotator for Broadband THz Ellipsometer Коcяк, О.С. Безбородов, В.И. Кузьмичев, И.К. Антенны, волноводная и квазиоптическая техника Предмет и цель работы: Исследуется возможность создания широкополосного вращателя плоскости поляризации для длинноволновой части терагерцевого диапазона. Методы и методология: Для достижения поставленной цели были использованы результаты работы, в которой методом поляризационных матриц рассеяния рассмотрены перестраиваемые и широкополосные дифференциальные фазовые секции, состоящие из нескольких двулучепреломляющих элементов. Результаты: Показано, что применение широкополосных дифференциальных фазовых секций позволяет значительно расширить рабочую полосу частот вращателя плоскости поляризации. Предмет і мета роботи: Досліджується можливість створення широкосмугового обертача площини поляризації для довгохвильової частини терагерцового діапазону. Методи та методологія: Для досягнення поставленої мети були використані результати роботи, в якій методом поляризаційних матриць розсіяння розглянуто перестроювані і широкосмугові диференціальні фазові секції, що складаються з декількох елементів з подвійним променезаломленням. Результати: Показано, що застосування широкосмугових диференціальних фазових секцій дозволяє значно розширити робочу смугу частот обертача площини поляризації. Purpose: The possibility of creating a broadband polarization rotator for the long-wave terahertz range is studied. Design/methodology/approach: To achieve the purpose set the results of the work done have been used where tunable and broadband differential phase sections consisting of several birefringent elements were considered using the method of polarization scattering matrix. Findings: It is shown that the use of the broadband differential phase sections can significantly extend the operating frequency range of the polarization rotator. 2017 Article Вращатель плоскости поляризации для широкополосного эллипсометра терагерцевого диапазона / О.С. Кocяк, В.И. Безбородов, И.К. Кузьмичев // Радиофизика и радиоастрономия. — 2017. — Т. 22, № 1. — С. 78-85. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 1027-9636 PACS: 42.25.Lc, 42.25.Bs, 42.70.Mp, 77.84.-s DOI: doi.org/10.15407/rpra22.01.078 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/122585 535.515:621.3.072.7 ru Радиофизика и радиоастрономия application/pdf Радіоастрономічний інститут НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Антенны, волноводная и квазиоптическая техника Антенны, волноводная и квазиоптическая техника
spellingShingle	Антенны, волноводная и квазиоптическая техника Антенны, волноводная и квазиоптическая техника Коcяк, О.С. Безбородов, В.И. Кузьмичев, И.К. Вращатель плоскости поляризации для широкополосного эллипсометра терагерцевого диапазона Радиофизика и радиоастрономия
description	Предмет и цель работы: Исследуется возможность создания широкополосного вращателя плоскости поляризации для длинноволновой части терагерцевого диапазона. Методы и методология: Для достижения поставленной цели были использованы результаты работы, в которой методом поляризационных матриц рассеяния рассмотрены перестраиваемые и широкополосные дифференциальные фазовые секции, состоящие из нескольких двулучепреломляющих элементов. Результаты: Показано, что применение широкополосных дифференциальных фазовых секций позволяет значительно расширить рабочую полосу частот вращателя плоскости поляризации.
format	Article
author	Коcяк, О.С. Безбородов, В.И. Кузьмичев, И.К.
author_facet	Коcяк, О.С. Безбородов, В.И. Кузьмичев, И.К.
author_sort	Коcяк, О.С.
title	Вращатель плоскости поляризации для широкополосного эллипсометра терагерцевого диапазона
title_short	Вращатель плоскости поляризации для широкополосного эллипсометра терагерцевого диапазона
title_full	Вращатель плоскости поляризации для широкополосного эллипсометра терагерцевого диапазона
title_fullStr	Вращатель плоскости поляризации для широкополосного эллипсометра терагерцевого диапазона
title_full_unstemmed	Вращатель плоскости поляризации для широкополосного эллипсометра терагерцевого диапазона
title_sort	вращатель плоскости поляризации для широкополосного эллипсометра терагерцевого диапазона
publisher	Радіоастрономічний інститут НАН України
publishDate	2017
topic_facet	Антенны, волноводная и квазиоптическая техника
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/122585
citation_txt	Вращатель плоскости поляризации для широкополосного эллипсометра терагерцевого диапазона / О.С. Кocяк, В.И. Безбородов, И.К. Кузьмичев // Радиофизика и радиоастрономия. — 2017. — Т. 22, № 1. — С. 78-85. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.
series	Радиофизика и радиоастрономия
work_keys_str_mv	AT kocâkos vraŝatelʹploskostipolârizaciidlâširokopolosnogoéllipsometrateragercevogodiapazona AT bezborodovvi vraŝatelʹploskostipolârizaciidlâširokopolosnogoéllipsometrateragercevogodiapazona AT kuzʹmičevik vraŝatelʹploskostipolârizaciidlâširokopolosnogoéllipsometrateragercevogodiapazona AT kocâkos obertačploŝinipolârizacíídlâširokosmugovogoelípsometrateragercovogodíapazona AT bezborodovvi obertačploŝinipolârizacíídlâširokosmugovogoelípsometrateragercovogodíapazona AT kuzʹmičevik obertačploŝinipolârizacíídlâširokosmugovogoelípsometrateragercovogodíapazona AT kocâkos polarizationrotatorforbroadbandthzellipsometer AT bezborodovvi polarizationrotatorforbroadbandthzellipsometer AT kuzʹmičevik polarizationrotatorforbroadbandthzellipsometer
first_indexed	2025-12-01T01:12:00Z
last_indexed	2025-12-01T01:12:00Z
_version_	1850266375512129536
fulltext	ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 22, № 1, 201778 Радиофизика и радиоастрономия. 2017, Т. 22, № 1, c. 78–85 © О. С. Кocяк, В. И. Безбородов, И. К. Кузьмичев, 2017 О. С. КOCЯК, В. И. БЕЗБОРОДОВ, И. К. КУЗЬМИЧЕВ Институт радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова НАН Украины, ул. Ак. Проскуры, 12, г. Харьков, 61085, Украина E-mail: oleg.kosiak@gmail.com ÂÐÀÙÀÒÅËÜ ÏËÎÑÊÎÑÒÈ ÏÎËßÐÈÇÀÖÈÈ ÄËß ØÈÐÎÊÎÏÎËÎÑÍÎÃÎ ÝËËÈÏÑÎÌÅÒÐÀ ÒÅÐÀÃÅÐÖÅÂÎÃÎ ÄÈÀÏÀÇÎÍÀ Предмет и цель работы: Исследуется возможность создания широкополосного вращателя плоскости поляризации для длинноволновой части терагерцевого диапазона. Методы и методология: Для достижения поставленной цели были использованы результаты работы, в которой мето- дом поляризационных матриц рассеяния рассмотрены перестраиваемые и широкополосные дифференциальные фазо- вые секции, состоящие из нескольких двулучепреломляющих элементов. Результаты: Показано, что применение широкополосных дифференциальных фазовых секций позволяет значительно расширить рабочую полосу частот вращателя плоскости поляризации. Заключение: Экспериментальное исследование подтвердило возможность создания широкополосного вращателя плос- кости поляризации. В качестве двулучепреломляющих элементов были применены искусственные диэлектрики, облада- ющие так называемым двулучепреломлением формы. Ключевые слова: квазиоптика, терагерцевый диапазон, вращатель плоскости поляризации, дифференциальная фазо- вая секция, двулучепреломление 1. Ââåäåíèå В настоящее время идет процесс интенсивно- го освоения терагерцевого диапазона волн от 0.1 до 10 ТГц. Для передачи электромагнитных волн в этом диапазоне, как правило, используются ква- зиоптические линии передачи, в которых электро- магнитное излучение распространяется в виде волновых пучков. Уникальные функциональные возможности квазиоптической техники позволяют широко использовать поляризационные принципы и методы в радиотехнических измерениях. Учет поляризации сигнала значительно повышает ин- формативность и точность измерений по срав- нению с измерениями при помощи волноводной радиоизмерительной аппаратурой. Все более ши- рокое внимание исследователей привлекает эллип- сометрия – высокочувствительный и точный ме- тод исследования поверхностей и границ раздела различных сред (твердых, жидких, газообразных), основанный на изучении изменения состояния по- ляризации света после его взаимодействия с по- верхностью границ раздела этих сред. Важными преимуществами эллипсометрии являются высо- кая чувствительность, неразрушающий и невоз- мущающий характер измерений, возможность изу- чения кинетики быстропротекающих явлений и измерений при различных физических условиях (температуре, давлении, в агрессивной среде). Основные области применения эллипсометрии: нанотехнология, физика и химия поверхности и тонких пленок, оптика, кристаллофизика, электро- химия, сенсорные устройства для экологии, био- логия и медицина. Классическая схема эллипсометра, работаю- щего на фиксированной частоте, [1] представле- на на рис. 1. Модулированное по амплитуде ли- нейно поляризованное излучение от генератора 1 через волноводно-лучеводный переход 2 и атте- нюатор 3 подается на вращатель плоскости поля- ризации (ВПП) 7. При помощи ВПП 7 устанавли- Рис. 1. Схема эллипсометра DOI: https://doi.org/10.15407/rpra22.01.078 УДК 535.515:621.3.072.7 PACS numbers: 42.25.Lc, 42.25.Bs, 42.70.Mp, 77.84.-s ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 22, № 1, 2017 79 Вращатель плоскости поляризации для широкополосного эллипсометра терагерцевого диапазона вается необходимый угол ориентации плоскости поляризации электромагнитной волны, которая далее направляется на исследуемый образец 4. Отраженная от образца эллиптически поляризо- ванная волна поступает на поляризационный де- литель 5, который выделяет ортогональные ком- поненты, поляризованные параллельно и перпен- дикулярно плоскости падения электромагнитной волны на исследуемый образец, и направляет их в разные каналы. В результате обе компоненты поступают на коммутатор 6, причем плоскость поляризации одной из них поворачивается ВПП 8 на угол 90 . Выделенные компоненты сигнала с частотой переключения коммутатора 6 пооче- редно подаются через волноводно-лучеводный переход 2 на детекторную секцию 10 или на со- гласованную нагрузку 9. После детектирования ортогональные компоненты сигнала поступают в блок обработки 11, где происходит их сравнение. Так как эллипсометрия измеряет отношение (или разницу) двух величин, а не абсолютные значе- ния каждой, – это очень точный и воспроизводи- мый метод. Информативность измерений может быть зна- чительно повышена путем их проведения в поло- се частот. В настоящее время в длинноволновой части терагерцевого диапазона существуют па- норамные измерители коэффициентов отражения и передачи, например, векторный анализатор це- пей Elmika R2204R, осуществляющий девиацию частоты в диапазоне 0.11 0.17f   ТГц, или скалярный анализатор цепей Elmika P2-139 – в диапазоне 0.175 0.225f   ТГц. В то же вре- мя разработка широкополосного ВПП является актуальной задачей. 2. Òåîðåòè÷åñêîå îáîñíîâàíèå При построении эллипсометра терагерцевого диа- пазона в качестве ВПП может быть использо- вана полуволновая дифференциальная фазовая секция (ДФС). Действительно, если на такое уст- ройство падает линейно поляризованная волна, плоскость поляризации которой составляет угол  с плоскостью анизотропии, плоскость поляри- зации волны на выходе ДФС поворачивается на угол 2 .   Поворот плоскости поляризации  связан с поворотом полуволновой секции соотно- шением 2   толькоо в том случае, если ДФС обеспечивает номинальный дифференциальный сдвиг фаз 180 . Однако в полосе частот этотт сдвиг может отличаться от номинального, в ре- зультате чего наряду с сигналом основной поля- ризации mainE на выходе ДФС появляется пара- зитный сигнал spuriousE ортогональной поляризации. В общем случае сигнал на выходе становится эл- липтически поляризованным, что приводит к по- ляризационным потерям сигнала и угловой ошиб- ке поворота плоскости поляризации. В работе [2] методом поляризационных мат- риц рассеяния нами была показана возможность создания широкополосной полуволновой ДФС, состоящей из трех одинаковых двулучепрелом- ляющих элементов (ДЭ), создающих на централь- ной частоте диапазона 0f дифференциальный сдвиг фаз 0 180 .i   При этом плоскости ани- зотропии крайних ДЭ совпадают и повернуты на угол  относительно плоскости анизотропии сред- него ДЭ (рис. 2). Эффективная плоскость анизот- ропии результирующей ДФС, условно изображен- ная на рис. 2 пунктиром, составляет угол 2 с плоскостью анизотропии крайних ДЭ. Ширина рабочей полосы частот ДФС зависит от угла . Было показано [2], что при выборе значения 60   рабочая полоса частот такой полуволновой ДФС значительно превышает ра- бочую полосу обычной, состоящей из одного ДЭ, полуволновой ДФС. Уменьшение этого угла при- водит к дальнейшему расширению рабочей по- лосы частот. Однако при этом на центральной Рис. 2. Схема широкополосной полуволновой ДФС 80 ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 22, № 1, 2017 О. С. Кocяк, В. И. Безбородов, И. К. Кузьмичев частоте диапазона на выходе секции появляет- ся синфазный основному паразитный сигнал ор- тогональной поляризации. На рис. 3 приведе- ны зависимости нормированных амплитуд ос- новной mainE и паразитной spuriousE составляю- щих сигнала от относительной частоты 0f f для обычной полуволновой ДФС (кривая 1) и для широкополосной полуволновой ДФС при значениях 60   и 58   (кривые 2 и 3 соот-т- ветственно). Здесь рассмотрен случай поворо- та плоскости поляризации на 90 , когда ампли- туда паразитной составляющей максимальна. Присутствие паразитной составляющей приво- дит к ошибке установки угла плоскости поляри- зации , максимальное значение которой свя- зано с углом разворота  простым выражее- нием 180 3 .    Таким образом, при конст- руировании ВПП приходится искать компромисс между шириной рабочей полосы частот и ве- личиной угловой ошибки поворота плоскости по- ляризации. При выборе угла 60   на центральной час- тоте паразитная составляющая сигнала отсут- ствует, достигая значения 0.1 (–20 дБ) на краях рабочей полосы частот с коэффициентом пере- крытия max min 1.5.f f  При выборе угла 58   при том же уровне паразитной составляющей сигнала коэффициент перекрытия рабочих час- тот составляет max min 1.9.f f  3. Ðàñ÷åò äâóëó÷åïðåëîìëÿþùåãî ýëåìåíòà ДЭ в рассматриваемой ДФС могут иметь раз- личную природу двулучепреломления. В настоя- щей работе в качестве ДЭ применен искусствен- ный диэлектрик, представляющий собой много- слойный набор чередующихся диэлектрических пластин с диэлектрическими проницаемостями 1, 2 и толщиной 1,t 2t (рис. 4). Такой искусст- венный диэлектрик обладает так называемым двулучепреломлением формы [3], т. е. различием эффективных показателей преломления для волн поляризованных параллельно ( )pn и ортогональ- но ( )sn пластинам. Преимуществом такой струк- туры является возможность получения необходи- мых электрических параметров ДЭ путем изме- нения его конструктивных параметров. Детальный анализ таких структур для работы в длинновол- новой части терагерцевого диапазона частот был проведен нами при помощи метода интегральных функционалов в работе [4]. Во избежание влия- ния высших дифракционных гармоник период такой структуры 1 2t t должен быть меньше са- мой короткой длины волны выбранного рабочего диапазона. Рассмотрим один из возможных алгоритмов нахождения конструктивных параметров ДЭ для создания на их основе широкополосного ВПП в длинноволновой части терагерцевого диапазона. Конструктивные параметры и материалы струк- туры выбираются исходя из требований к зату- ханию, вносимому ДЭ, и степени согласования ДЭ с трактом. Рис. 3. Частотные зависимости основной (а) и паразитной (б) составляющих сигнала на выходе обычной полуволновой ДФС (кривые 1), на выходе широкополосной полуволно- вой ДФС, состоящей из трех идентичных ДЭ 0( 180 ),i   при 60   (кривые 2), 58   (кривые 3) и на выходе широкополосной полуволновой ДФС, состоящей из трех не- идентичных ДЭ 01 03( 185 ,     02 180 ),   при 58   (кривые 4) ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 22, № 1, 2017 81 Вращатель плоскости поляризации для широкополосного эллипсометра терагерцевого диапазона Затухание в ДЭ, обладающем свойством дву- лучепреломления формы, определяется, с од- ной стороны, тангенсом угла диэлектрических потерь (tg ) материалов, из которых он изготов- лен, а с другой – его размером вдоль оси луче- вода. Как показано в работе [4], осевой размер ДЭ, создающего дифференциальный сдвиг фаз 180 , при 1 2( )t t  обратно пропорционален по- казателю двулучепреломления, равному разности показателей преломления структуры для волн, по- ляризованных параллельно и ортогонально плос- кости анизотропии, ,p sn n n   и определяется выражением: (2 ).L n   Показатель двулучепреломления n тем боль- ше, чем больше разность диэлектрических про- ницаемостей применяемых диэлектриков 1, 2. При 1 2   зависимость показателя двулучепре- ломления от коэффициента заполнения структуры диэлектриком с 1, 1 1 2( ) ,F t t t  имеет пологий максимум в области 0.6.F  Мы остановили свой выбор на комбинации широко распространенных материалов: слюды 3 1 1( 6.9, tg 10 )    и тефло- на 4 2 2( 2.07, tg 10 ).    Зависимости показателей преломления ,pn sn и показателя двулучепреломления n структуры “слюда–тефлон” от коэффициента заполнения слю- дой F при 1 2( ) 0.2t t   приведены на рис. 5. С точки зрения обеспечения минимальной осе- вой длины ДЭ следует выбирать коэффициент заполнения 0.6.F  Однако коэффициент за- полнения такой структуры определяется также способом ее согласования с квазиоптическим трактом. В работе [5] нами были рассмотрены некоторые способы такого согласования. Один из них заключается в нанесении на поверхность двулучепреломляющей структуры четвертьвол- нового согласующего слоя изотропного диэлект- рика (рис. 4, а). Поскольку показатели преломле- ния структуры ,pn sn отличаются, эффективная диэлектрическая проницаемость согласующе- го слоя  должна быть равна ε .av s pn n n  На рис. 5 показано графическое определение коэффициента заполнения F при согласова- нии двулучепреломляющей структуры четверть- волновыми слоями из тефлона и полистирола 3( 2.5, tg 10 ).pol     Значения коэффициента за- полнения F соответствуют точкам пересечения кривой avn и линий диэлектрической проницаемо- сти тефлона εteflon и полистирола ε pol и равны соответственно 0.6 и 0.93. При таких значениях Рис. 4. Двулучепреломляющая структура и способы ее согласования с квазиоптическим трактом при помощи четвертьволнового слоя диэлектрика (а) или гребенчатой формы поверхности структуры (б) Рис. 5. Зависимости показателей преломления ,pn ,sn n структуры “слюда–тефлон”, диэлектрических проницае- мостей полистирола ε ,pol тефлона εteflon и искусственно- го согласующего слоя ,p ,s а также е av s pn n n и av s p      от коэффициента заполнения F 82 ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 22, № 1, 2017 О. С. Кocяк, В. И. Безбородов, И. К. Кузьмичев коэффициента заполнения показатель двулучеп- реломления n структуры “слюда–тефлон” ра- вен 0.34 и 0.126 соответственно. Осевой размер ДЭ для работы в полосе с центральной частотой 0 0.15f  ТГц при этом равен соответственно 3 и 9 мм. С точки зрения обеспечения мини- мального затухания использование тефлона в качестве согласующего слоя предпочтительнее. Частотные зависимости коэффициента отраже- ния по полю R волн, поляризованных параллельно ( )pn и ортогонально ( )sn плоскости анизотропии, от полубесконечной двулучепреломляющей струк- туры “слюда–тефлон”, согласованной с помощью четвертьволнового согласующего слоя из теф- лона, приведены на рис. 6 (кривые 1p и 1s соот- ветственно). Второй способ согласования заключается в использовании гребенчатой формы поверхности двулучепреломляющей структуры, когда пластин- ки из одного диэлектрика выступают на задан- ную высоту h над пластинками из другого диэ- лектрика (рис. 4, б). Выступающие пластин- ки образуют двулучепреломляющую структуру “диэлектрик–воздух”, имеющую диэлектрические проницаемости p и s соответственно для волн, поляризованных параллельно и ортогонально плос- кости анизотропии. В работе [4] было показано, что более эффективное согласование происходит, когда над поверхностью структуры выступают пластинки из диэлектрика с меньшей диэлектри- ческой проницаемостью, – в данном случае пла- стинки из тефлона. На рис. 5 значение коэффи- циента заполнения F структуры при ее согласо- вании с помощью анизотропного искуственного диэлектрика “тефлон–воздух” соответствует точ- ке пересечения кривых av s p      и avn и рав- но 0.26. При таком коэффициенте заполнения показатель двулучепреломления 0.23,n  а осе- вой размер ДЭ для работы в полосе с централь- ной частотой 0 0.15f  ТГц равен 4.35 мм. Частотные зависимости коэффициента отраже- ния R волн, поляризованных параллельно и орто- гонально плоскости анизотропии, от полубеско- нечной двулучепреломляющей структуры “слю- да–тефлон”, согласованной при помощи гребен- чатой формы поверхности, приведены на рис. 6 (кривые 2 p и 2 ).s Анализ показывает, что в частотном диапазоне 0 0.65 1.35f f   рассмот- ренный способ обеспечивает более эффективное согласование, чем в случае применения четверть- волнового согласующего слоя изотропного диэ- лектрика. На основании проведенного выше анализа для широкополосной полуволновой ДФС был выбран ДЭ в виде двулучепреломляющей структуры “слюда–тефлон” с коэффициентом заполнения слюдой 0.26,F  согласованный с квазиоптичес- ким трактом при помощи гребенчатой формы поверхности структуры, в которой пластины из тефлона выступают на высоту  0 4 .avh    4. Øèðîêîïîëîñíûé ÂÏÏ äëÿ 2 ìì äèàïàçîíà äëèí âîëí Для работы в полосе с центральной частотой 0 0.15f  ТГц период структуры 1 2t t выб- ран равным 0.4 мм 0(0.2 ), осевая длина – 4.35L  мм, высота согласующего слоя – 0.38h  мм. Согласующий слой был выполнен только на внешних поверхностях крайних ДЭ, по- скольку коэффициент отражения от среднего ДЭ для угла 60   составляет 0.06R  (линия 3 на рис. 6). В средней части частотного диапазона это значение несколько выше значений R для край- них ДЭ, согласованных обоими способами, а на краях диапазона – ниже. Внешний вид ДЭ представлен на рис. 7, а. Следует отметить, что при согласовании за счет выбора гребенчатой формы поверхности структуры происходит увеличение дифферен- циального сдвига фаз, создаваемого крайними ДЭ. Это увеличение определяется формулой    2 p sh      и на центральной частоте Рис. 6. Частотные зависимости коэффициента отражения по полю ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 22, № 1, 2017 83 Вращатель плоскости поляризации для широкополосного эллипсометра терагерцевого диапазона составляет 5 .  Частотные зависимости основ- ной и паразитной составляющих сигнала на выхо- де широкополосной ДФС для этого случая приве- дены на рис. 3, а, б (кривые 3). Наличие анизот- ропного согласующего слоя на крайних ДЭ при- водит к незначительному ухудшению частотных характеристик основной и паразитной состав- ляющих сигнала и небольшому смещению рабо- чей полосы ДФС в область низких частот. Для изображенного на рис. 1 ВПП 8, который используется в схеме коммутатора, максималь- ный уровень ортогональной паразитной состав- ляющей сигнала, не вносящий значительной по- грешности в работу эллипсометра, может дости- гать –20 дБ. Такой уровень паразитного сигнала на центральной частоте имеет место при угле разворота ДЭ, образующих ВПП, 58 .   При этом относительная полоса рабочих частот имеет коэффициент перекрытия max min 1.72.f f  Вне- шний вид выполненного на базе полого диэлект- рического лучевода [6] диаметром 20 мм широ- кополосного ВПП, осуществляющего пово- рот плоскости поляризации на фиксированный угол 90 , представлен на рис. 7, б. Для ВПП 7 (рис. 1), устанавливающего необходи- мый угол поворота плоскости поляризации электро- магнитной волны, такой уровень ортогональной паразитной составляющей сигнала неприемлем. При уровне ортогональной паразитной составляю- щей –20 дБ максимальная ошибка установки угла поворота плоскости поляризации  составляет около 6 . Для того чтобы сохранить ширину рабо- чей полосы и уменьшить уровень паразитного сигнала на выходе широкополосной ДФС устанав- ливается линейный поляризатор в виде одномер- ной проволочной решетки, вращающийся вокруг оси лучевода с удвоенной скоростью по отно- шению к скорости вращения плоскости анизотро- пии ДФС. Решетка, выполненная из вольфрамовой проволоки диаметром 10 мкм с шагом 40 мкм, обеспечивает поляризационную развязку в диа- пазоне 0.1 0.2f   ТГц около 35 дБ. Внешний вид прецизионного широкополосного ВПП для по- ворота плоскости поляризации на угол от 0 до 180 представлен на рис. 7, в. 5. Ýêñïåðèìåíòàëüíîå èññëåäîâàíèå Экспериментальное исследование широкополос- ных ВПП было проведено в частотном диапазо- не 0.11 0.225f   ТГЦ с помощью панорамных измерителей Elmika R2204R ( 0.11 0.17f   ТГЦ) и Elmika P2-139 ( 0.175 0.225f   ТГц). При этом измерялись коэффициенты передачи K основной и паразитной ортогональных составляющих на выходе ВПП при повороте плоскости поляриза- ции на 90 . Результаты измерений представлены на рис. 8. Затухание основной составляющей сигнала, включающее омические и поляризационные по- тери в диапазоне 0.11 0.19f   ТГц, не пре- вышает 1 дБ, плавно увеличиваясь до 1.5 дБ в диапазоне 0.19 0.225f   ТГц. Уровень паразит- ной составляющей на выходе ВПП без поляри- зующей решетки не превышает –20 дБ в полосе частот 0.11 0.19f   ТГц. Уровень паразитной составляющей при наличии поляризующей решет- ки был ниже потенциала установки (–40 дБ для Elmika R2204R и –35 дБ для Elmika P2-139) во всем частотном диапазоне. Рис. 7. Внешний вид ДЭ (а); внешний вид широкополосного ВПП, позволяющего поворачивать плоскость поляризации на 90 , (б); внешний вид прецизионного широкополосного ВПП (в) 84 ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 22, № 1, 2017 О. С. Кocяк, В. И. Безбородов, И. К. Кузьмичев 6. Âûâîäû В результате проведенной работы был разработан и реализован широкополосный вращатель плос- кости поляризации, работающий в диапазоне 0.11 0.225f   ТГц, равном суммарной девиа- ции частот панорамных измерителей Elmika R2204R ( 0.11 0.17f   ТГЦ) и Elmika P2-139 ( 0.175 0.225f   ТГц). Данные, полученные в ре- зультате исследования, позволяют сделать вывод о возможности использования разработанного ВПП в эллипсометрических измерительных системах. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 01. Радиоволновая эллипсометрия / Конев В. А., Куле- шов Е. М., Пунько Н. Н. / Под ред. И. С. Ковалева. – Минск: Наука и техника, 1985. – 104 с. 02. Косяк О. С., Безбородов В. И., Кулешов Е. М., Несте- ров П. К. Перестраиваемые и широкополосные диф- ференциальные фазовые секции в терагерцевом диапа- зоне частот // Радиофизика и радиоастрономия. – 2016. – Т. 21, № 4. – С. 318–329. 03. Борн М., Вольф Э. Основы оптики / Пер. с англ. С. Н. Бреуса, А. И. Головашкина, А. А. Шубина под ред. Г. П. Мотулевич. – М.: Наука, 1973. – 719 с. 04. Безбородов В. И., Косяк О. С., Кулешов Е. М., Ячин В. В. Дифференциальные фазовые секции на основе дву- лучепреломления формы в терагерцевом диапазоне частот // Радиофизика и электроника. – 2014. – Т. 5(19), № 3. – С. 92–97. 05. Безбородов В. И., Косяк О. С., Кулешов Е. М., Ячин В. В. Согласование структур с двулучепреломлением фор- мы со свободным пространством в терагерцевом диа- пазоне частот // Радиофизика и электроника. – 2015. – Т. 6(20), № 2. – С. 83–89. 06. Кулешов Е. M. Глава 8. Измерения в субмиллиметровом диапазоне радиоволн / Радиоэлектроника и радиофи- зика миллиметровых и субмиллиметровых радиоволн / Под ред. А. Я. Усикова. – Киев: Наукова думка, 1986. – С. 140–157. REFERENCES 01. KONEV, V. A., KULESHOV, YE. M. and PUNKO, N. N., 1985. Radio-wave ellipsometry. Minsk, USSR: Nauka i Tekhnika Publ. (in Russian). 02. KOSIAK, O. S., BEZBORODOV, V. I., KULESHOV, YE. M. and NESTEROV, P. K., 2016. Tunable and Broadband Dif- ferential Phase Sections in Terahertz Frequency Range. Radio Phys. Radio Astron. vol. 21, no. 4, pp. 318–329 (in Russian). 03. BORN, M. and WOLF, E., 1968. Principles of Optics. Oxford: Pergamon Press. 04. BEZBORODOV, V. I., KOSIAK, O. S., KULESHOV, YE. M. and YACHIN, V. V., 2015. Differential Phase Sections Based on Form Birefringence in the Terahertz Frequency Range. Telecommunications and Radio Engineering. vol. 74, is. 8, pp. 735–744. DOI: 10.1615/TelecomRadEng.v74.i8.70 05. BEZBORODOV, V. I., KOSIAK, O. S., KULESHOV, YE. M. and YACHIN, V. V., 2015. Form Birefringent Structures Matching to Free Space in the Teraherts Frequency Range. Telecommunications and Radio Engineering. vol. 74, is. 19, pp. 1767–1776. DOI: 10.1615/TelecomRadEng. v74.i19.90 06. KULESHOV, YE. M., 1986. Chapter 8. Measurements in submillimeter wavelength band. In: A. Y. USIKOV, ed. Electronics and Radio Physics of Millimeter and Submil- limeter Waves. Kyiv: Naukova Dumka Publ., pp. 140–157 (in Russian). O. S. Kosiak, V. I. Bezborodov, and I. K. Kuz’ michev O. Ya. Usikov Institute for Radiophysics and Electronics, National Academy of Sciences of Ukraine, 12, Acad. Proskura St., Kharkiv, 61085, Ukraine POLARIZATION ROTATOR FOR BROADBAND THZ ELLIPSOMETER Purpose: The possibility of creating a broadband polarization rotator for the long-wave terahertz range is studied. Design/methodology/approach: To achieve the purpose set the results of the work done have been used where tunable and broadband differential phase sections consisting of several birefringent elements were considered using the method of po- larization scattering matrix. Findings: It is shown that the use of the broadband differential phase sections can significantly extend the operating frequency range of the polarization rotator. Conclusions: The experimental study confirmed the possibility of creating a broadband polarization rotator. Artificial dielectrics which have a so-called form birefringence property were applied as the birefringent elements. Key words: quasioptics, terahertz range, polarization rotator, differential phase section, birefringence Рис. 8. Частотные зависимости коэффициента передачи ос- новной составляющей сигнала (кривая 1) и коэффициентов передачи паразитной составляющей сигнала на выходе ВПП без дополнительной поляризующей решетки (кривая 2) и при наличии поляризующей решетки (кривая 3) ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 22, № 1, 2017 85 Вращатель плоскости поляризации для широкополосного эллипсометра терагерцевого диапазона О. С. Косяк, В. І. Безбородов, І. К. Кузьмичoв Інститут радіофізики та електроніки ім. О. Я. Усикова НАН України, вул. Ак. Проскури, 12, м. Харків, 61085, Україна ОБЕРТАЧ ПЛОЩИНИ ПОЛЯРИЗАЦІЇ ДЛЯ ШИРОКОСМУГОВОГО ЕЛІПСОМЕТРА ТЕРАГЕРЦОВОГО ДІАПАЗОНА Предмет і мета роботи: Досліджується можливість ство- рення широкосмугового обертача площини поляризації для довгохвильової частини терагерцового діапазону. Методи та методологія: Для досягнення поставленої ме- ти були використані результати роботи, в якій методом поляризаційних матриць розсіяння розглянуто перестрою- вані і широкосмугові диференціальні фазові секції, що складаються з декількох елементів з подвійним проме- незаломленням. Результати: Показано, що застосування широкосмугових диференціальних фазових секцій дозволяє значно розшири- ти робочу смугу частот обертача площини поляризації. Висновок: Експериментальне дослідження підтвердило мож- ливість створення широкосмугового обертача площини поляризації. В якості елементів з подвійним променезалом- ленням були застосовані штучні діелектрики, що мають так зване подвійне променезаломлення форми. Ключові слова: квазіоптика, терагерцовий діапазон, обертач площини поляризації, диференціальна фазова секція, под- війне променезаломлення Стаья поступила в редакцию 20.02.2017

Вращатель плоскости поляризации для широкополосного эллипсометра терагерцевого диапазона

Репозитарії

Схожі ресурси