PROSPECTS OF THE USE OF GRADIENT GRATES IN THE LASERS OF TERAHERTZ RANGE
PACS number: 42.60.ByPurpose: The improvement and development of terahertz radiation sources is required for the further development of the terahertz frequency range. Submillimeter lasers are one of the few sources of terahertz radiation. Metal periodic structures are often used as output mirrors of...
Збережено в:
| Дата: | 2018 |
|---|---|
| Автори: | , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Видавничий дім «Академперіодика»
2018
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | http://rpra-journal.org.ua/index.php/ra/article/view/1304 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Radio physics and radio astronomy |
Репозитарії
Radio physics and radio astronomy| id |
rpra-journalorgua-article-1304 |
|---|---|
| record_format |
ojs |
| institution |
Radio physics and radio astronomy |
| baseUrl_str |
|
| datestamp_date |
2020-06-09T10:31:20Z |
| collection |
OJS |
| language |
Russian |
| topic |
terahertz range laser output mirror of a laser cavity gradient gratings |
| spellingShingle |
terahertz range laser output mirror of a laser cavity gradient gratings Dzyubenko, M. I. Maslov, V. A. Odarenko, E. N. Radionov, V. P. PROSPECTS OF THE USE OF GRADIENT GRATES IN THE LASERS OF TERAHERTZ RANGE |
| topic_facet |
terahertz range laser output mirror of a laser cavity gradient gratings терагерцевый диапазон лазер выходное зеркало резонатора градиентные решетки терагерцовий діапазон лазер вихідне дзеркало резонатора градієнтні решітки |
| format |
Article |
| author |
Dzyubenko, M. I. Maslov, V. A. Odarenko, E. N. Radionov, V. P. |
| author_facet |
Dzyubenko, M. I. Maslov, V. A. Odarenko, E. N. Radionov, V. P. |
| author_sort |
Dzyubenko, M. I. |
| title |
PROSPECTS OF THE USE OF GRADIENT GRATES IN THE LASERS OF TERAHERTZ RANGE |
| title_short |
PROSPECTS OF THE USE OF GRADIENT GRATES IN THE LASERS OF TERAHERTZ RANGE |
| title_full |
PROSPECTS OF THE USE OF GRADIENT GRATES IN THE LASERS OF TERAHERTZ RANGE |
| title_fullStr |
PROSPECTS OF THE USE OF GRADIENT GRATES IN THE LASERS OF TERAHERTZ RANGE |
| title_full_unstemmed |
PROSPECTS OF THE USE OF GRADIENT GRATES IN THE LASERS OF TERAHERTZ RANGE |
| title_sort |
prospects of the use of gradient grates in the lasers of terahertz range |
| title_alt |
ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГРАДИЕНТНЫХ РЕШЕТОК В ЛАЗЕРАХ ТЕРАГЕРЦЕВОГО ДИАПАЗОНА ПЕРСПЕКТИВИ ВИКОРИСТАННЯ ГРАДІЄНТНИХ РЕШІТОК В ЛАЗЕРАХ ТЕРАГЕРЦОВОГО ДІАПАЗОНУ |
| description |
PACS number: 42.60.ByPurpose: The improvement and development of terahertz radiation sources is required for the further development of the terahertz frequency range. Submillimeter lasers are one of the few sources of terahertz radiation. Metal periodic structures are often used as output mirrors of these lasers. The periodic structure advantage is that by selection of its parameters it is possible to provide the optimal transmittance of the output mirror and the required polarization of laser radiation. The use of concave mirrors in a laser cavity is often required to reduce the diffraction loss and to reduce the output laser beam divergence. However, such mirrors are much more expensive and more complicated in manufacture than the flat ones. The periodic structure with a non-flat substrate is particularly difficult to manufacture. The aim of this work is to study the flat gradient metal gratings that possess the properties of spherical mirrors and lenses simultaneously.Design/methodology/approach: Flat gradient metal gratings in the form of concentric rings with varying parameters in the radial direction are proposed for solving the focusing problem. The technique for modeling the phase characteristics of such annular gradient gratings is given. Simulation of the properties of a ring grating in which the distance between the rings decreases in the direction from the center to the edges is carried out.Findings: The image of the change in the wave phase front which occurs when an electromagnetic field interacts with a gradient grating is obtained as a result of numerical simulation. The grating considered has the properties of a concave mirror and a focusing lens simultaneously. Such combination of gradient gratings properties allows to use them as output mirrors of terahertz lasers. This allows us to improve the energy and spatialangular characteristics of the output radiation of terahertz lasers. Сonclusions: Using the circular gradient gratings as output mirrors of terahertz lasers makes it possible to reduce the diffraction losses and divergence of the laser beam that allows to increase the efficiency of terahertz lasers.Key words: terahertz range, laser, output mirror of a laser cavity, gradient gratingsManuscript submitted 21.08.2018Radio phys. radio astron. 2018, 23(4): 302–312REFERENCES1. DZYUBENKO, M. I., KAMENEV, YU. E. and RADIONOV, V. P., 2017. Gas-discharge lasers of the terahertz range. Radiophys. Electron. vol. 22, no. 3, pp. 58–80. (in Russian). DOI: https://doi.org/10.15407/rej2017.03.0582. DEGTYAREV, A. V., MASLOV, V. A. and TOPKOV, A. N., 2016. Lasers of terahertz range with optical pumping. Chapter 11. In: A. E. HRAMOV, A. G. BALANOV, V. D. EREMKA, V. E. ZAPEVALOV and A. A. KORONOVSKIY, eds. Generation and amplification of terahertz range signals: collective monograph. Saratov, Russia: Saratov State Technical University Publ. pp. 404–459. (in Russian).3. VAYNSHTEYN, L. A., 1963. To the electrodynamic theory of gratings. Part 1. The ideal grating in free space. In: High Power Electronics. Moscow, Russia: AS USSR Publ. vol. 2, pp. 26–56. (in Russian).4. SHESTOPALOV, V. P., KIRILENKO, A. A., MASALOV, S. A. and SIRENKO, YU. K., 1986. Resonance scattering of waves. Diffraction gratings. Vol. 1. Kiev, Ukraine: Naukova dumka Publ. (in Russian).5. BARON, T., EUPHRASIE, S., MBAREK, S. B., VAIRAC, P. and CRETIN, B., 2009. Design of metallic mesh absorbers for high bandwidth electromagnetic waves. Prog. Electromagn. Res. C. vol. 8, pp. 135–147. DOI: https://doi.org/10.2528/PIERC090522046. WEITZ, D. A., SKOCPOL, W. J. and TINKHAM, M., 1978. Capacitive-mesh output couplers for optically pumped far-infrared lasers. Opt. Lett. vol. 3, is. 1, pp. 13–15. DOI: 10.1364/OL.3.0000137. GURIN, O. V., DEGTYAREV, A. V., LEGENKYI, M. N., MASLOV, V. А., SVICH, V. A., SENYUTA, V. S. and TOPKOV, A. N., 2014. Generation of transverse modes with azimuthal polarization in a terahertz band waveguide laser. Telecommunications and Radio Engineering. vol. 73, is. 20, pp. 1819–1830. DOI: https://doi.org/10.1615/TelecomRadEng.v73.i20.308. SHMAT’KO, A. A., 2008. Millimeter-wave electron wave systems. Volume 1. Kharkiv, Ukraine: V. N. Karazin Kharkiv National University Publ. (in Russian).9. EGOROV, M. B. and SHMAT’KO, A. A., 1987. Scattering of the field of a linear distributed source on an irregular array in a waveguide with an arbitrary law of variation of its parameters. Reports of the Academy of Sciences of the Ukrainian SSR. Ser. A. no. 6, pp. 42–45. (in Russian).10. GAN, Q., FU, Z., DING, Y. J. and BARTOLI, F. J., 2008. Ultrawide-bandwidth slow-light system based on THz plasmonic graded metallic grating structures. Phys. Rev. Lett. vol. 100, is. 25, id. 256803. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.100.25680311. XU, Y., FU, Y. and CHEN, H., 2015. Steering light by a sub-wavelength metallic grating from transformation optics. Sci. Rep. vol. 5, id. 12219. DOI: https://doi.org/10.1038/srep1221912. VERSLEGERS, L., CATRYSSE, P. B., YU, Z., WHITE, J. S., BARNARD, E. S., BRONGERSMA, M. L. and FAN, S., 2009. Planar lenses based on nanoscale slit arrays in a metallic film. Nano Lett. vol. 9, is. 1, pp. 235–238. DOI: https://doi.org/10.1021/nl802830y13. XU, Y., FU, Y. and CHEN, H., 2016. Planar gradient metamaterials. Nat. Rev. Mat. vol. 1, id. 16067. DOI: https://doi.org/10.1038/natrevmats.2016.6714. FENG, D. and ZHANG, C., 2011. Optical focusing by planar lenses based on nano-scale metallic slits in visible regime. Phys. Procedia. vol. 22, pp. 428–434. DOI: https://doi.org/10.1016/j.phpro.2011.11.06715. LIN, H. and HUANG, C.-S., 2016. Linear variable filter based on a gradient grating period guided-mode resonance filter. IEEE Photonics Technol. Lett. vol. 28, is. 9, pp. 1042–1045. DOI: https://doi.org/10.1109/LPT.2016.252465516. SHI, H., WANG, C., DU, C., LUO, X., DONG, X. and GAO, H., 2005. Beam manipulating by metallic nanoslits with variant widths. Opt. Exp. vol. 13, is. 18, pp. 6815–6820. DOI: https://doi.org/10.1364/OPEX.13.0068117. CHEN, M., FAN, F., XU, S.-T. and CHANG, S.-J., 2016. Artificial high birefringence in all-dielectric gradient grating for broadband terahertz waves. Sci. Rep. vol. 6, id. 38562. DOI: https://doi.org/10.1038/srep3856218. GURIN, O. V., DEGTYAREV, A. V., MASLOV, V. A., RYABYKH, V. N. and TOPKOV, A. V. 2016. Terahertz laser waveguide resonators with internal spherical mirrors. Telecommunications and Radio Engineering. vol. 75, is. 18, pp. 1665–1677. DOI: https://doi.org/10.1615/TelecomRadEng.v75.i18.6019. DZYUBENKO, M. I., MASLOV, V. A. and RADIONOV, V. P., 2016. Applying of the flat circular metal gratings as spherical output mirrors of terahertz lasers. In: 9th International Kharkiv Symposium on Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter and Submillimeter Waves (MSMW) Proceedings. Kharkiv, Ukraine, 20-24 June, 2016. DOI: https://doi.org/10.1109/MSMW.2016.753811720. DZYUBENKO, M. I., MASLOV, V. A. and RADIONOV, V. P., 2017. Azimuthal output mirror of the laser cavity. Ukraine Patent No. 115126.21. DZYUBENKO, M. I., RADIONOV, V. P., MASLOV, V. A. and ODARENKO, E. N., 2017. Plane circular gradient grating that combines the functions of a spherical mirror and a focusing lens. In: IEEE Microwaves, Radar and Remote Sensing Symposium (MRRS) Proceedings. Kiev, Ukraine, 29-31 August, 2017. pp. 139–142. DOI: https://doi.org/0.1109/MRRS.2017.807504722. DZYUBENKO, M. I., MASLOV, V. A., ODARENKO, E. N. and RADIONOV, V. P., 2017. Planar Gradient Metamaterial with the Properties of Spherical Partially Transparent Terahertz Mirror. In: Second International Conference on Information and Telecommunication Technologies and Radio Electronics (UkrMiCo’2017) Proceedings. Odesa, Ukraine, September 11–15, 2017. pp. 189–192.23. TAFLOVE, A. and HAGNESS, S. C., 2000. Computational Electrodynamics: The Finite-Difference Time-Domain Method. Norwood, MA, USA: Artech House, Ink.24. OSKOOI, A. F., ROUNDY, D., IBANESCU, M., BERMEL, P., JOANNOPOULOS, J. D. and JOHNSON, S. G., 2010. MEEP: A flexible free-software package for electromagnetic simulations by the FDTD method. Comput. Phys. Commun. vol. 181, is. 3, pp. 687–702. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cpc.2009.11.008 |
| publisher |
Видавничий дім «Академперіодика» |
| publishDate |
2018 |
| url |
http://rpra-journal.org.ua/index.php/ra/article/view/1304 |
| work_keys_str_mv |
AT dzyubenkomi prospectsoftheuseofgradientgratesinthelasersofterahertzrange AT maslovva prospectsoftheuseofgradientgratesinthelasersofterahertzrange AT odarenkoen prospectsoftheuseofgradientgratesinthelasersofterahertzrange AT radionovvp prospectsoftheuseofgradientgratesinthelasersofterahertzrange AT dzyubenkomi perspektivyispolʹzovaniâgradientnyhrešetokvlazerahteragercevogodiapazona AT maslovva perspektivyispolʹzovaniâgradientnyhrešetokvlazerahteragercevogodiapazona AT odarenkoen perspektivyispolʹzovaniâgradientnyhrešetokvlazerahteragercevogodiapazona AT radionovvp perspektivyispolʹzovaniâgradientnyhrešetokvlazerahteragercevogodiapazona AT dzyubenkomi perspektivivikoristannâgradíêntnihrešítokvlazerahteragercovogodíapazonu AT maslovva perspektivivikoristannâgradíêntnihrešítokvlazerahteragercovogodíapazonu AT odarenkoen perspektivivikoristannâgradíêntnihrešítokvlazerahteragercovogodíapazonu AT radionovvp perspektivivikoristannâgradíêntnihrešítokvlazerahteragercovogodíapazonu |
| first_indexed |
2025-12-02T15:30:39Z |
| last_indexed |
2025-12-02T15:30:39Z |
| _version_ |
1850423632104259584 |
| spelling |
rpra-journalorgua-article-13042020-06-09T10:31:20Z PROSPECTS OF THE USE OF GRADIENT GRATES IN THE LASERS OF TERAHERTZ RANGE ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГРАДИЕНТНЫХ РЕШЕТОК В ЛАЗЕРАХ ТЕРАГЕРЦЕВОГО ДИАПАЗОНА ПЕРСПЕКТИВИ ВИКОРИСТАННЯ ГРАДІЄНТНИХ РЕШІТОК В ЛАЗЕРАХ ТЕРАГЕРЦОВОГО ДІАПАЗОНУ Dzyubenko, M. I. Maslov, V. A. Odarenko, E. N. Radionov, V. P. terahertz range; laser; output mirror of a laser cavity; gradient gratings терагерцевый диапазон; лазер; выходное зеркало резонатора; градиентные решетки терагерцовий діапазон; лазер; вихідне дзеркало резонатора; градієнтні решітки PACS number: 42.60.ByPurpose: The improvement and development of terahertz radiation sources is required for the further development of the terahertz frequency range. Submillimeter lasers are one of the few sources of terahertz radiation. Metal periodic structures are often used as output mirrors of these lasers. The periodic structure advantage is that by selection of its parameters it is possible to provide the optimal transmittance of the output mirror and the required polarization of laser radiation. The use of concave mirrors in a laser cavity is often required to reduce the diffraction loss and to reduce the output laser beam divergence. However, such mirrors are much more expensive and more complicated in manufacture than the flat ones. The periodic structure with a non-flat substrate is particularly difficult to manufacture. The aim of this work is to study the flat gradient metal gratings that possess the properties of spherical mirrors and lenses simultaneously.Design/methodology/approach: Flat gradient metal gratings in the form of concentric rings with varying parameters in the radial direction are proposed for solving the focusing problem. The technique for modeling the phase characteristics of such annular gradient gratings is given. Simulation of the properties of a ring grating in which the distance between the rings decreases in the direction from the center to the edges is carried out.Findings: The image of the change in the wave phase front which occurs when an electromagnetic field interacts with a gradient grating is obtained as a result of numerical simulation. The grating considered has the properties of a concave mirror and a focusing lens simultaneously. Such combination of gradient gratings properties allows to use them as output mirrors of terahertz lasers. This allows us to improve the energy and spatialangular characteristics of the output radiation of terahertz lasers. Сonclusions: Using the circular gradient gratings as output mirrors of terahertz lasers makes it possible to reduce the diffraction losses and divergence of the laser beam that allows to increase the efficiency of terahertz lasers.Key words: terahertz range, laser, output mirror of a laser cavity, gradient gratingsManuscript submitted 21.08.2018Radio phys. radio astron. 2018, 23(4): 302–312REFERENCES1. DZYUBENKO, M. I., KAMENEV, YU. E. and RADIONOV, V. P., 2017. Gas-discharge lasers of the terahertz range. Radiophys. Electron. vol. 22, no. 3, pp. 58–80. (in Russian). DOI: https://doi.org/10.15407/rej2017.03.0582. DEGTYAREV, A. V., MASLOV, V. A. and TOPKOV, A. N., 2016. Lasers of terahertz range with optical pumping. Chapter 11. In: A. E. HRAMOV, A. G. BALANOV, V. D. EREMKA, V. E. ZAPEVALOV and A. A. KORONOVSKIY, eds. Generation and amplification of terahertz range signals: collective monograph. Saratov, Russia: Saratov State Technical University Publ. pp. 404–459. (in Russian).3. VAYNSHTEYN, L. A., 1963. To the electrodynamic theory of gratings. Part 1. The ideal grating in free space. In: High Power Electronics. Moscow, Russia: AS USSR Publ. vol. 2, pp. 26–56. (in Russian).4. SHESTOPALOV, V. P., KIRILENKO, A. A., MASALOV, S. A. and SIRENKO, YU. K., 1986. Resonance scattering of waves. Diffraction gratings. Vol. 1. Kiev, Ukraine: Naukova dumka Publ. (in Russian).5. BARON, T., EUPHRASIE, S., MBAREK, S. B., VAIRAC, P. and CRETIN, B., 2009. Design of metallic mesh absorbers for high bandwidth electromagnetic waves. Prog. Electromagn. Res. C. vol. 8, pp. 135–147. DOI: https://doi.org/10.2528/PIERC090522046. WEITZ, D. A., SKOCPOL, W. J. and TINKHAM, M., 1978. Capacitive-mesh output couplers for optically pumped far-infrared lasers. Opt. Lett. vol. 3, is. 1, pp. 13–15. DOI: 10.1364/OL.3.0000137. GURIN, O. V., DEGTYAREV, A. V., LEGENKYI, M. N., MASLOV, V. А., SVICH, V. A., SENYUTA, V. S. and TOPKOV, A. N., 2014. Generation of transverse modes with azimuthal polarization in a terahertz band waveguide laser. Telecommunications and Radio Engineering. vol. 73, is. 20, pp. 1819–1830. DOI: https://doi.org/10.1615/TelecomRadEng.v73.i20.308. SHMAT’KO, A. A., 2008. Millimeter-wave electron wave systems. Volume 1. Kharkiv, Ukraine: V. N. Karazin Kharkiv National University Publ. (in Russian).9. EGOROV, M. B. and SHMAT’KO, A. A., 1987. Scattering of the field of a linear distributed source on an irregular array in a waveguide with an arbitrary law of variation of its parameters. Reports of the Academy of Sciences of the Ukrainian SSR. Ser. A. no. 6, pp. 42–45. (in Russian).10. GAN, Q., FU, Z., DING, Y. J. and BARTOLI, F. J., 2008. Ultrawide-bandwidth slow-light system based on THz plasmonic graded metallic grating structures. Phys. Rev. Lett. vol. 100, is. 25, id. 256803. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.100.25680311. XU, Y., FU, Y. and CHEN, H., 2015. Steering light by a sub-wavelength metallic grating from transformation optics. Sci. Rep. vol. 5, id. 12219. DOI: https://doi.org/10.1038/srep1221912. VERSLEGERS, L., CATRYSSE, P. B., YU, Z., WHITE, J. S., BARNARD, E. S., BRONGERSMA, M. L. and FAN, S., 2009. Planar lenses based on nanoscale slit arrays in a metallic film. Nano Lett. vol. 9, is. 1, pp. 235–238. DOI: https://doi.org/10.1021/nl802830y13. XU, Y., FU, Y. and CHEN, H., 2016. Planar gradient metamaterials. Nat. Rev. Mat. vol. 1, id. 16067. DOI: https://doi.org/10.1038/natrevmats.2016.6714. FENG, D. and ZHANG, C., 2011. Optical focusing by planar lenses based on nano-scale metallic slits in visible regime. Phys. Procedia. vol. 22, pp. 428–434. DOI: https://doi.org/10.1016/j.phpro.2011.11.06715. LIN, H. and HUANG, C.-S., 2016. Linear variable filter based on a gradient grating period guided-mode resonance filter. IEEE Photonics Technol. Lett. vol. 28, is. 9, pp. 1042–1045. DOI: https://doi.org/10.1109/LPT.2016.252465516. SHI, H., WANG, C., DU, C., LUO, X., DONG, X. and GAO, H., 2005. Beam manipulating by metallic nanoslits with variant widths. Opt. Exp. vol. 13, is. 18, pp. 6815–6820. DOI: https://doi.org/10.1364/OPEX.13.0068117. CHEN, M., FAN, F., XU, S.-T. and CHANG, S.-J., 2016. Artificial high birefringence in all-dielectric gradient grating for broadband terahertz waves. Sci. Rep. vol. 6, id. 38562. DOI: https://doi.org/10.1038/srep3856218. GURIN, O. V., DEGTYAREV, A. V., MASLOV, V. A., RYABYKH, V. N. and TOPKOV, A. V. 2016. Terahertz laser waveguide resonators with internal spherical mirrors. Telecommunications and Radio Engineering. vol. 75, is. 18, pp. 1665–1677. DOI: https://doi.org/10.1615/TelecomRadEng.v75.i18.6019. DZYUBENKO, M. I., MASLOV, V. A. and RADIONOV, V. P., 2016. Applying of the flat circular metal gratings as spherical output mirrors of terahertz lasers. In: 9th International Kharkiv Symposium on Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter and Submillimeter Waves (MSMW) Proceedings. Kharkiv, Ukraine, 20-24 June, 2016. DOI: https://doi.org/10.1109/MSMW.2016.753811720. DZYUBENKO, M. I., MASLOV, V. A. and RADIONOV, V. P., 2017. Azimuthal output mirror of the laser cavity. Ukraine Patent No. 115126.21. DZYUBENKO, M. I., RADIONOV, V. P., MASLOV, V. A. and ODARENKO, E. N., 2017. Plane circular gradient grating that combines the functions of a spherical mirror and a focusing lens. In: IEEE Microwaves, Radar and Remote Sensing Symposium (MRRS) Proceedings. Kiev, Ukraine, 29-31 August, 2017. pp. 139–142. DOI: https://doi.org/0.1109/MRRS.2017.807504722. DZYUBENKO, M. I., MASLOV, V. A., ODARENKO, E. N. and RADIONOV, V. P., 2017. Planar Gradient Metamaterial with the Properties of Spherical Partially Transparent Terahertz Mirror. In: Second International Conference on Information and Telecommunication Technologies and Radio Electronics (UkrMiCo’2017) Proceedings. Odesa, Ukraine, September 11–15, 2017. pp. 189–192.23. TAFLOVE, A. and HAGNESS, S. C., 2000. Computational Electrodynamics: The Finite-Difference Time-Domain Method. Norwood, MA, USA: Artech House, Ink.24. OSKOOI, A. F., ROUNDY, D., IBANESCU, M., BERMEL, P., JOANNOPOULOS, J. D. and JOHNSON, S. G., 2010. MEEP: A flexible free-software package for electromagnetic simulations by the FDTD method. Comput. Phys. Commun. vol. 181, is. 3, pp. 687–702. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cpc.2009.11.008 УДК 535.14, 537.862PACS number: 42.60.ByПредмет и цель работы: Для дальнейшего освоения терагерцевого диапазона частот требуется развитие и совершенствование источников излучения, способных работать в этом диапазоне. Одними из немногочисленных источников терагерцевого излучения являются субмиллиметровые лазеры. В качестве выходных зеркал таких лазеров широко используются металлические периодические структуры. Преимуществом периодической структуры является то, что путем подбора ее параметров можно обеспечить оптимальный коэффициент пропускания выходного зеркала и требуемую поляризацию лазерного излучения. Для снижения дифракционных потерь и уменьшения расходимости выходного лазерного пучка часто требуется применять вогнутые зеркала в лазерном резонаторе. Однако такие зеркала значительно дороже и сложнее в изготовлении, чем плоские. Особенно сложно выполнить периодическую структуру с неплоской подложкой. Целью работы является исследование плоских градиентных металлических решеток, обладающих свойствами сферических зеркал и линз одновременно.Методы и методология: Для решения проблемы фокусировки предложены плоские градиентные металлические решетки в виде концентрических колец с изменяющимися параметрами в радиальном направлении. В работе представлена методика моделирования фазовых характеристик таких кольцевых градиентных решеток. Проведено моделирование свойств кольцевой решетки, у которой расстояние между кольцами уменьшается в направлении от центра к краям.Результаты: В результате численного моделирования получена картина изменения фазового фронта волны, которая возникает при взаимодействии электромагнитного поля с градиентной решеткой. Рассмотренная решетка имеет свойства вогнутого зеркала и фокусирующей линзы одновременно. Такое сочетание свойств градиентных решеток, в случае использования их в качестве выходных зеркал резонатора, позволяет улучшить энергетические и пространственно-угловые характеристики выходного излучения терагерцевых лазеров.Заключение: Использование кольцевых градиентных решеток в качестве выходных зеркал терагерцевых лазеров дает возможность снизить дифракционные потери и уменьшить расходимость лазерного пучка, что позволяет повысить эффективность терагерцевых лазеров.Ключевые слова: терагерцевый диапазон, лазер, выходное зеркало резонатора, градиентные решеткиСтатья поступила в редакцию 21.08.2018Radio phys. radio astron. 2018, 23(4): 302–312СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ1. Дзюбенко М. И., Каменев Ю. Е., Радионов В. П. Газоразрядные лазеры терагерцевого диапазона. Радиофизика и электроника. 2017. Т. 22. № 3. С. 58–80. DOI: 10.15407/rej2017.03.0582. Дегтярев А. В., Маслов В. А., Топков А. Н. Глава 11. Лазеры терагерцового диапазона с оптической накачкой. Генерация и усиление сигналов терагерцового диапазона: коллективная монографія. Под ред. А. Е. Храмова, А. Г. Баланова, В. Д. Еремки, В. Е. Запевалова, А. А. Короновского. Саратов, Россия: Саратовский гос. техн. ун-т, 2016. С. 404–459.3. Вайнштейн Л. А. К электродинамической теории решеток. Ч. 1. Идеальная решетка в свободном пространстве. Электроника больших мощностей. Москва: Изд-во АН СССР, 1963. T. 2. С. 26–56.4. Шестопалов В. П., Кириленко А. А., Масалов С. А., Сиренко Ю. К. Резонансное рассеяние волн. Дифракционные решетки. Т. 1. Киев: Наукова думка, 1986. 227 с.5. Baron T., Euphrasie S., Mbarek S. B., Vairac P., and Cretin B. Design of metallic mesh absorbers for high bandwidth electromagnetic waves. Prog. Electromagn. Res. C. Vol. 8, pp. 135–147. DOI: 10.2528/PIERC090522046. Weitz D. A., Skocpol W. J., and Tinkham M. Capacitivemesh output couplers for optically pumped far-infrared lasers. Opt. Lett. 1978. Vol. 3, Is. 1. P. 13–15. DOI: 10.1364/OL.3.0000137. Gurin О. V., Degtyarev А. V., Legenkyi M. N., Маslov V. А., Svich V. А., Senyuta V. S., and Тоpkov А. N. Generation of transverse modes with azimuthal polarization in a terahertz band waveguide laser. Telecommunications and Radio Engineering. 2014, Vol. 73, Is. 20. P. 1819–1830. DOI:10.1615/TelecomRadEng.v73.i20.308. Шматько А. А. Электронно-волновые системы миллиметрового диапазона. Том 1. Харьков: ХНУ имени В. Н. Каразина, 2008. 464 с.09. Егоров М. Б., Шматько А. А. Рассеяние поля линейного распределенного источника на нерегулярной решетке в волноводе с произвольным законом изменения ее параметров. Доклады АН УССР. Сер. А. 1987. № 6. С. 42–45.10. Gan Q., Fu Z., Ding Y. J., and Bartoli F. J. Ultrawidebandwidth slow-light system based on THz plasmonic graded metallic grating structures. Phys. Rev. Lett. 2008. Vol. 100, Is. 25. id. 256803. DOI: 10.1103/PhysRev-Lett.100.25680311. Xu Y., Fu Y., and Chen H. Steering light by a sub-wavelength metallic grating from transformation optics. Sci. Rep. 2015. Vol. 5, id. 12219. DOI: 10.1038/srep1221912. Verslegers L., Catrysse P. B., Yu Z., White J. S., Barnard E. S., Brongersma M. L., and Fan S. Planar lenses based on nanoscale slit arrays in a metallic film. Nano Lett. 2009. Vol. 9, Is. 1. P. 235–238. DOI: 10.1021/nl802830y13. Xu Y., Fu Y., and Chen H. Planar gradient metamaterials. Nat. Rev. Mat. 2016. Vol. 1, id. 16067. DOI: 10.1038/natrevmats. 2016.6714. Feng D. and Zhang C. Optical focusing by planar lenses based on nano-scale metallic slits in visible regime. Phys. Procedia. 2011. Vol. 22. P. 428–434. DOI: 10.1016/j.phpro.2011.11.06715. Lin H. and Huang C.-S. Linear variable filter based on a gradient grating period guided-mode resonance filter. IEEE Photonics Technol. Lett. 2016. Vol. 28, Is. 9. P. 1042–1045. DOI: 10.1109/LPT.2016.252465516. Shi H., Wang C., Du C., Luo X., Dong X., and Gao H. Beam manipulating by metallic nano-slits with variant widths. Opt. Exp. 2005. Vol. 13, Is. 18. P. 6815–6820. DOI: 10.1364/OPEX.13.00681517. Chen M., Fan F., Xu S.-T., and Chang S.-J. Artificial high birefringence in all-dielectric gradient grating for broadband terahertz waves. Sci. Rep. 2016. Vol. 6, id. 38562. DOI: 10.1038/srep3856218. Gurin O. V., Degtyarev A. V., Maslov V. A., Ryabykh V. N., and Topkov A. V. Terahertz laser waveguide resonators with internal spherical mirrors. Telecommunications and Radio Engineering. 2016. Vol. 75, No. 18. P. 1665–1677. DOI: 10.1615/TelecomRadEng.v75.i18.6019. Dzyubenko M. I., Maslov V. A., and Radionov V. P. Applying of the flat circular metal gratings as spherical output mirrors of terahertz lasers. Proceedings of the 9th International Kharkiv Symposium on Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter and Submillimeter Waves (MSMW). (20-24 June, 2016. Kharkiv). Kharkiv, Ukraine, 2016. DOI: 10.1109/MSMW.2016.753811720. Патент України №115126 від 10.04.2017 на корисну модель. Дзюбенко М. І., Маслов В. О., Радіонов В. П. Азимутальне вихідне дзеркало лазерного резонатора. Бюл. № 7, 2017.21. Dzyubenko M. I., Radionov V. P., Maslov V. A., and Odarenko E. N. Plane circular gradient grating that combines the functions of a spherical mirror and a focusing lens. Proceedings of the IEEE Microwaves, Radar andRemote Sensing Symposium (MRRS). (29-31 August, 2017. Kiev). Kiev, Ukraine, 2017. P. 139–142. DOI: 0.1109/MRRS.2017.807504722. Dzyubenko M. I., Maslov V. A., Odarenko E. N, and Radionov V. P. Planar Gradient Metamaterial with the Properties of Spherical Partially Transparent Terahertz Mirror. Proceedings of the Second International Conference on Information and Telecommunication Technologies and Radio Electronics (UkrMiCo’2017). (September 11–15, 2017. Odesa). Odesa, Ukraine, 2017. P. 189–192.23. Taflove A. and Hagness S. C. Computational Electrodynamics: The Finite-Difference Time-Domain Method. Norwood, MA, USA: Artech House, Ink., 2000.24. Oskooi A. F., Roundy D., Ibanescu M., Bermel P., Joannopoulos J. D., and Johnson S. G. MEEP: A flexible freesoftware package for electromagnetic simulations by the FDTD method. Comput. Phys. Commun. 2010. Vol. 181, Is. 3. P. 687–702. DOI: 10.1016/j.cpc.2009.11.008 УДК 535.14, 537.862PACS number: 42.60.ByПредмет і мета роботы: Для подальшого освоєння терагерцового діапазону частот потрібен розвиток і вдосконалення джерел випромінювання, здатних працювати в цьому діапазоні. Одними з нечисленних джерел терагерцового випромінювання є субміліметрові лазери. У якості вихідних дзеркал таких лазерів широко використовуються металеві періодичні структури. Перевагою періодичної структури є те, що шляхом підбору її параметрів можна забезпечити оптимальний коефіцієнт пропускання вихідного дзеркала і необхідну поляризацію лазерного випромінювання. Для зниження дифракційних втрат і зменшення розходження вихідного лазерного пучка часто необхідно застосовувати увігнуті дзеркала в лазерному резонаторі. Однак такі дзеркала є значно дорожчими і складнішими у виготовленні, ніж плоскі. Особливо складно виконати періодичну структуру з неплоскою підкладкою. Метою роботи є дослідження плоских градієнтних металевих решіток, що мають властивості сферичних дзеркал і лінз одночасно.Методи і методологія: Для вирішення проблеми фокусування запропоновано плоскі градієнтні металеві решітки у вигляді концентричних кілець зі змінними параметрами в радіальному напрямку. У роботі надається методика моделювання фазових характеристик таких кільцевих градієнтних решіток. Виконано моделювання властивостей кільцевої решітки, у якій відстань між кільцями зменшується в напрямку від центру до країв.Результати: В результаті числового моделювання отримано картину зміни фазового фронту хвилі, яка виникає при взаємодії електромагнітного поля з градієнтною решіткою. Розглянута решітка має властивості увігнутого дзеркала і фокусуючої лінзи одночасно. Таке поєднаннявластивостей градієнтних решіток, у разі використання їх у якості вихідних дзеркал резонатора, дозволяє поліпшити просторово-кутові характеристики випромінювання терагерцевих лазерів.Висновок: Використання кільцевих градієнтних решіток у якості вихідних дзеркал терагерцових лазерів дає можливість знизити дифракційні втрати та зменшити розходження лазерного пучка, що дозволяє підвищити ефективність терагерцових лазерів.Ключові слова: терагерцовий діапазон, лазер, вихідне дзеркало резонатора, градієнтні решіткиСтаття надійшла до редакції 21.08.2018Radio phys. radio astron. 2018, 23(4): 302–312СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ1. Дзюбенко М. И., Каменев Ю. Е., Радионов В. П. Газоразрядные лазеры терагерцевого диапазона. Радиофизика и электроника. 2017. Т. 22. № 3. С. 58–80. DOI: 10.15407/rej2017.03.0582. Дегтярев А. В., Маслов В. А., Топков А. Н. Глава 11. Лазеры терагерцового диапазона с оптической накачкой. Генерация и усиление сигналов терагерцового диапазона: коллективная монографія. Под ред. А. Е. Храмова, А. Г. Баланова, В. Д. Еремки, В. Е. Запевалова, А. А. Короновского. Саратов, Россия: Саратовский гос. техн. ун-т, 2016. С. 404–459.3. Вайнштейн Л. А. К электродинамической теории решеток. Ч. 1. Идеальная решетка в свободном пространстве. Электроника больших мощностей. Москва: Изд-во АН СССР, 1963. T. 2. С. 26–56.4. Шестопалов В. П., Кириленко А. А., Масалов С. А., Сиренко Ю. К. Резонансное рассеяние волн. Дифракционные решетки. Т. 1. Киев: Наукова думка, 1986. 227 с.5. Baron T., Euphrasie S., Mbarek S. B., Vairac P., and Cretin B. Design of metallic mesh absorbers for high bandwidth electromagnetic waves. Prog. Electromagn. Res. C. Vol. 8, pp. 135–147. DOI: 10.2528/PIERC090522046. Weitz D. A., Skocpol W. J., and Tinkham M. Capacitivemesh output couplers for optically pumped far-infrared lasers. Opt. Lett. 1978. Vol. 3, Is. 1. P. 13–15. DOI: 10.1364/OL.3.0000137. Gurin О. V., Degtyarev А. V., Legenkyi M. N., Маslov V. А., Svich V. А., Senyuta V. S., and Тоpkov А. N. Generation of transverse modes with azimuthal polarization in a terahertz band waveguide laser. Telecommunications and Radio Engineering. 2014, Vol. 73, Is. 20. P. 1819–1830. DOI:10.1615/TelecomRadEng.v73.i20.308. Шматько А. А. Электронно-волновые системы миллиметрового диапазона. Том 1. Харьков: ХНУ имени В. Н. Каразина, 2008. 464 с.09. Егоров М. Б., Шматько А. А. Рассеяние поля линейного распределенного источника на нерегулярной решетке в волноводе с произвольным законом изменения ее параметров. Доклады АН УССР. Сер. А. 1987. № 6. С. 42–45.10. Gan Q., Fu Z., Ding Y. J., and Bartoli F. J. Ultrawidebandwidth slow-light system based on THz plasmonic graded metallic grating structures. Phys. Rev. Lett. 2008. Vol. 100, Is. 25. id. 256803. DOI: 10.1103/PhysRev-Lett.100.25680311. Xu Y., Fu Y., and Chen H. Steering light by a sub-wavelength metallic grating from transformation optics. Sci. Rep. 2015. Vol. 5, id. 12219. DOI: 10.1038/srep1221912. Verslegers L., Catrysse P. B., Yu Z., White J. S., Barnard E. S., Brongersma M. L., and Fan S. Planar lenses based on nanoscale slit arrays in a metallic film. Nano Lett. 2009. Vol. 9, Is. 1. P. 235–238. DOI: 10.1021/nl802830y13. Xu Y., Fu Y., and Chen H. Planar gradient metamaterials. Nat. Rev. Mat. 2016. Vol. 1, id. 16067. DOI: 10.1038/natrevmats. 2016.6714. Feng D. and Zhang C. Optical focusing by planar lenses based on nano-scale metallic slits in visible regime. Phys. Procedia. 2011. Vol. 22. P. 428–434. DOI: 10.1016/j.phpro.2011.11.06715. Lin H. and Huang C.-S. Linear variable filter based on a gradient grating period guided-mode resonance filter. IEEE Photonics Technol. Lett. 2016. Vol. 28, Is. 9. P. 1042–1045. DOI: 10.1109/LPT.2016.252465516. Shi H., Wang C., Du C., Luo X., Dong X., and Gao H. Beam manipulating by metallic nano-slits with variant widths. Opt. Exp. 2005. Vol. 13, Is. 18. P. 6815–6820. DOI: 10.1364/OPEX.13.00681517. Chen M., Fan F., Xu S.-T., and Chang S.-J. Artificial high birefringence in all-dielectric gradient grating for broadband terahertz waves. Sci. Rep. 2016. Vol. 6, id. 38562. DOI: 10.1038/srep3856218. Gurin O. V., Degtyarev A. V., Maslov V. A., Ryabykh V. N., and Topkov A. V. Terahertz laser waveguide resonators with internal spherical mirrors. Telecommunications and Radio Engineering. 2016. Vol. 75, No. 18. P. 1665–1677. DOI: 10.1615/TelecomRadEng.v75.i18.6019. Dzyubenko M. I., Maslov V. A., and Radionov V. P. Applying of the flat circular metal gratings as spherical output mirrors of terahertz lasers. Proceedings of the 9th International Kharkiv Symposium on Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter and Submillimeter Waves (MSMW). (20-24 June, 2016. Kharkiv). Kharkiv, Ukraine, 2016. DOI: 10.1109/MSMW.2016.753811720. Патент України №115126 від 10.04.2017 на корисну модель. Дзюбенко М. І., Маслов В. О., Радіонов В. П. Азимутальне вихідне дзеркало лазерного резонатора. Бюл. № 7, 2017.21. Dzyubenko M. I., Radionov V. P., Maslov V. A., and Odarenko E. N. Plane circular gradient grating that combines the functions of a spherical mirror and a focusing lens. Proceedings of the IEEE Microwaves, Radar andRemote Sensing Symposium (MRRS). (29-31 August, 2017. Kiev). Kiev, Ukraine, 2017. P. 139–142. DOI: 0.1109/MRRS.2017.807504722. Dzyubenko M. I., Maslov V. A., Odarenko E. N, and Radionov V. P. Planar Gradient Metamaterial with the Properties of Spherical Partially Transparent Terahertz Mirror. Proceedings of the Second International Conference on Information and Telecommunication Technologies and Radio Electronics (UkrMiCo’2017). (September 11–15, 2017. Odesa). Odesa, Ukraine, 2017. P. 189–192.23. Taflove A. and Hagness S. C. Computational Electrodynamics: The Finite-Difference Time-Domain Method. Norwood, MA, USA: Artech House, Ink., 2000.24. Oskooi A. F., Roundy D., Ibanescu M., Bermel P., Joannopoulos J. D., and Johnson S. G. MEEP: A flexible freesoftware package for electromagnetic simulations by the FDTD method. Comput. Phys. Commun. 2010. Vol. 181, Is. 3. P. 687–702. DOI: 10.1016/j.cpc.2009.11.008 Видавничий дім «Академперіодика» 2018-12-03 Article Article application/pdf http://rpra-journal.org.ua/index.php/ra/article/view/1304 10.15407/rpra23.04.302 РАДИОФИЗИКА И РАДИОАСТРОНОМИЯ; Vol 23, No 4 (2018); 302 RADIO PHYSICS AND RADIO ASTRONOMY; Vol 23, No 4 (2018); 302 РАДІОФІЗИКА І РАДІОАСТРОНОМІЯ; Vol 23, No 4 (2018); 302 2415-7007 1027-9636 10.15407/rpra23.04 ru http://rpra-journal.org.ua/index.php/ra/article/view/1304/pdf Copyright (c) 2018 RADIO PHYSICS AND RADIO ASTRONOMY |