ФЕМТОСЕКУНДНЫЙ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПОЛЯ ТГЦ ИМПУЛЬСОВ, ПОЛУЧАЕМЫХ С ПОМОЩЬЮ УСКОРИТЕЛЯ ЭЛЕКТРОНОВ Российский патент 2019 года по МПК H01S3/10 G01N21/63 G01J3/42 

Область техники, к которой относится изобретение

Данное изобретение относится к фемтосекундному лазерному устройству регистрации амплитуды и фазы импульсного ТГц излучения, генерируемого при помощи электронных пучков субпикосекундной длительности, формируемых ускорителем элементарных частиц.

Уровень техники

В настоящее время большое количество применений находят стационарные ускорители элементарных частиц, способные формировать сгустки заряженных элементарных частиц с малой (менее пикосекунды) длительностью, в частности, электронные ускорители линейного и циклического типа. Получаемые при помощи таких машин сгустки электронов, среди прочего, могут быть использованы для генерации интенсивного широкополосного излучения в ТГц диапазоне длин волн. Наиболее актуальными задачами, для решения которых оно может применяться, являются: импульсная ТГц спектроскопия с временным разрешением, ТГц томография и визуализация биологических объектов, визуализация процессов, протекающих в низкоплотной плазме, удаленное зондирование газовых сред на предмет наличия органических соединений.

Важной проблемой при использовании широкополосного импульсного ТГц излучения для проведения измерений с высоким разрешением по времени является выбор комбинации подходящего метода регистрации, позволяющего зафиксировать амплитуду и фазу поля ТГц импульсов, одновременно обеспечивая достаточную ширину спектральной полосы регистрации, и метода генерации, позволяющего получить ТГц импульсы с достаточной величиной поля и частотным составом, укладывающимся в спектральную полосу метода регистрации. Для реализации метода импульсной ТГц спектроскопии с временным разрешением известны различные конструкции спектрометров, в той или иной мере решающие обозначенную проблему.

В патенте США № 0179528А1 (опубл. 31.07.2008) описана общая схема ТГц спектрометра, работающего в отражательном режиме и реализованная при помощи пары фотопроводящих антенн и фемтосекундного лазерного генератора. Факт использования лазерного генератора с частотой следования импульсов порядка 100 МГц обнажает основной недостаток подобной схемы - малую энергию импульсов ТГц излучения, получаемую несмотря на достаточно высокую эффективность (10^-3) преобразования энергии оптического импульса в энергию ТГц импульсов. Причиной данного обстоятельства является невозможность генерации оптических импульсов с энергией более 100 нДж при помощи только лазерного генератора, а также ограниченная лучевая стойкость и эффект фотонасыщения, характерные для фотопроводящих антенн.

В патенте РФ № 105738U1 (опубл. 20.06.2011) раскрыта система, аналогичная указанной выше, с той разницей, что в качестве генератора и приемника ТГц излучения используются электрооптические кристаллы, оптимизированные под нелинейно-оптическое выпрямление лазерных импульсов с центральной длиной волны спектра 775 нм, а сам ТГц спектрометр построен по схеме на пропускание. В качестве исходного источника также используется фемтосекундный лазер, излучение которого разделяется на два пучка: пучок накачки кристалла-генератора и стробирующий пучок для кристалла-детектора. Внесение дискретно изменяемой задержки между импульсами в двух пучках позволяет записать профиль поля ТГц импульса, прошедшего через исследуемый образец, и при помощи Фурье-преобразования получить информацию о его спектральной фазе и амплитуде, характеризующую образец. Несмотря на то, что электрооптические кристаллы в качестве детекторов и генераторов ТГц излучения способны работать при более высоких значениях энергии оптических импульсов, нежели фотопроводящие антенны, энергия получаемых ТГц импульсов обычно не превышает таковую для фотопроводящих антенн и составляет не более 10-100 нДж даже при условии использования лазерной усилительной системы для их возбуждения.

В описании на полезную модель для патента РФ № 145104U1 (опубл. 10.09.2014) приведена конструкция спектрометра, имеющего в качестве источника излучения ТГц лазер с импульсной накачкой CO₂-лазером, что позволяет значительно увеличить среднюю мощность полезного излучения (типичная выходная мощность коммерчески доступных непрерывных ТГц лазеров составляет 150-200 мВт), доступную для проведения измерений. В качестве приемника излучения предлагается использование детектора на оптоакустическом эффекте (ячейка Голея). Главным недостатком такой схемы является ограниченность доступного спектрального диапазона вследствие узости спектральной линии ТГц лазера, которая не может быть в полной мере компенсирована возможностями перестройки его длины волны. Этот же фактор определяет возможность использования интегрального детектора с временем реакции порядка десятков микросекунд, физический принцип функционирования которого не позволяет добиться чувствительности этого прибора к фазе электрического поля ТГц импульса.

Наиболее близкий аналог предлагаемого комплекса описан в патенте РФ № 2650698 (опубл. 17.04.2016), где раскрыто устройство для ТГц спектроскопии, использующего в качестве источника излучения импульсный лазер на свободных электронах. Перестраиваемое по длине волны излучение лазера на свободных электронах подается на пару расположенных друг за другом параллельных пропускающих дифракционных решеток, в результате чего исходный пучок разделяется на два параллельных пучка: для накачки и зондирования образца. Пучки имеют независимые оптические пути, разница длин которых может изменяться управляемым образом при помощи прецизионной линии задержки, снабженной шаговым двигателем. Оптические пути двух пучков пересекаются в некотором объеме образца, после чего зондирующий пучок подается на детектор, выполненный в виде ячейки Голея, а пучок накачки поглощается. Изменение относительной временной задержки между импульсами, возникающее за счет линии задержки, позволяет за счет измерения коэффициента поглощения зондирующего пучка зафиксировать временную динамику релаксации молекулярного перехода в образце, возбуждаемого излучением накачки.

Существенным недостатком данного известного устройства является то, что реализуемый им метод исследования ограничивается спектроскопией насыщения. Узость спектральной полосы излучения накачки также приводит к необходимости предпринимать дополнительные меры, предотвращающие разъюстировку спектрометра при перестройке длины волны ТГц источника на другое значение, в частности - использовать две дифракционные решетки, отклоняющие существенную часть исходной мощности источника в стороны, что эквивалентно снижению эффективности спектрометра.

Раскрытие изобретения

Таким образом, имеется необходимость в создании устройства, комбинирующего достоинства электронного источника ТГц излучения, например, импульсного лазера на свободных электронах, с возможностями метода широкополосной ТГц спектроскопии методом накачки зондирования, что позволило бы преодолеть недостатки ближайшего аналога, т.е. дало бы возможность получать не только амплитудные, но и фазовые спектры пропускания исследуемых образцов в широком спектральном диапазоне, а также производить спектроскопические измерения как в насыщенном, так и в ненасыщенном режиме по скорости возбуждения молекулярных переходов в исследуемых образцах. Решение этой задачи позволит также расширить арсенал доступных технических средств.

Эта задача с достижением указанного технического результата решается в объекте настоящего изобретения за счет того, что предложен фемтосекундный оптико-электронный комплекс, реализующий синхронизацию электронной пушки ускорителя и широкополосного терагерцового спектрометра и содержащий: ускоритель электронов, способный генерировать импульсное ТГц излучение, систему доставки и фокусировки излучения с держателем образца и регулируемым ослабителем ТГц излучения, ведомый фемтосекундный лазерный излучатель, селектор импульсов ведомого фемтосекундного лазерного излучателя, электронный блок синхронизации, прецизионную оптическую линию задержки, оснащенную шаговым двигателем и контроллером шагового двигателя, компьютер, осуществляющий управление системой и запись данных спектроскопических измерений, а также приемник, чувствительный к величине поля ТГц импульса.

Особенность объекта настоящего изобретения состоит в том, что в качестве ускорителя может использоваться лазер на свободных электронах, использующий ондулятор в качестве устройства, преобразующего энергию электронных сгустков в излучение ТГц диапазона.

Другой особенностью объекта изобретения является то, что в качестве источника электронов для лазера на свободных электронах может использоваться фотокатод, облучаемый задающим лазером с требуемыми параметрами излучения. При этом задающий лазер может содержать в своем составе фотоприемное устройство, формирующее опорный сигнал синхронизации из цуга оптических импульсов задающего лазера, содержащий, помимо частоты следования импульсов задающего лазера, ее гармоники.

Другой особенностью комплекса является то, что входящий в состав комплекса электронный блок синхронизации может содержать: цепи подготовки и фильтрации входного сигнала, радиочастотные смесители, аналоговые или цифровые фазовые детекторы, пропорционально интегрально-дифференциальные преобразователи, высоковольтные усилители, контроллеры шаговых двигателей, усилители для питания акустооптических и электрооптических модуляторов, цифровые генераторы синусоидальных колебаний произвольной частоты и делители частоты.

Еще одна особенность комплекса состоит в том, что ведомый фемтосекундный лазерный излучатель может иметь настраиваемую частоту следования импульсов, что может быть реализовано за счет установки в резонатор ведомого лазерного излучателя подвижных зеркал и призм с электромеханическим или пьезоэлектрическим приводом. При этом величина частоты следования импульсов ведомого фемтосекундного лазерного излучателя определяется величиной частоты следования импульсов задающего лазера.

Кроме того, особенностью комплекса является то, что селектор импульсов ведомого фемтосекундного лазерного излучателя, установленный в соответствующем лазерном пучке, может быть синхронизован с ускорителем электронов при помощи импульсно-периодического электрического сигнала, генерируемого ускорителем и соответствующего частоте генерации единичных ТГц импульсов.

Другая особенность комплекса заключается в том, что приемник ТГц излучения может включать в себя: нелинейный электрооптический кристалл, изменяющий состояние поляризации проходящего через него излучения ведомого фемтосекундного лазерного излучателя под воздействием поля ТГц импульса, сгенерированного ускорителем, четвертьволновую фазовую пластинку, рассчитанную на длину волны ведомого фемтосекундного лазерного излучателя, призму Волластона и балансный фотодетектор.

Краткое описание чертежей

Настоящее изобретение иллюстрируется чертежом, на котором оптическое сопряжение отдельных частей комплекса условно показано двойными линиями со стрелками, в то время как одинарными линиями со стрелками обозначены электрические соединения.

На Фиг. 1 показана общая блок-схема оптико-электронного фемтосекундного комплекса по настоящему изобретению.

Подробное описание вариантов осуществления

Настоящее изобретение далее описывается со ссылками на прилагаемый чертеж посредством примеров его осуществления, которые являются иллюстративными, но не ограничивающими объем притязаний по настоящему изобретению, определяемый только нижеследующей формулой изобретения.

Предложенный оптико-электронный фемтосекундный комплекс содержит в общем случае (Фиг. 1) источник ТГц импульсов, основанный на электронном ускорителе 19. Подобный источник ТГц импульсов может быть реализован, например, в виде задающего фемтосекундного лазерного излучателя 1, пучок которого подается в ускоритель 2, состоящий из фотокатода 20, в котором указанный лазерный пучок преобразуется в последовательность электронных сгустков за счет фотоэффекта, электромагнитного ускорителя электронных сгустков 21, а также ондулятора 22, преобразующего энергию ускоренных электронных сгустков в последовательность импульсов ТГц излучения. Полученная последовательность ТГц импульсов далее может подаваться на аттеньюатор 3, обеспечивающий возможность плавной настройки мощности ТГц излучения на образце исследований 5. После аттеньюатора пучок ТГц излучения подается в оптическую систему 23 для доставки и фокусировки излучения на образец 5, содержащую помимо держателя образца параболические зеркала с металлическим покрытием 4 и 6. Для обеспечения компенсации расходимости подаваемого в оптическую систему ТГц излучения могут использоваться дополнительные параболические и плоские зеркала, а также линзы, изготовленные из материала, прозрачного в ТГц диапазоне (не указаны на Фиг. 1).

Прошедшее и частично поглощенное образцом 5 импульсное ТГц излучение далее фокусируется в электрооптический кристалл 7, в котором фокальная область пучка ТГц излучения совмещена с фокусом лазерного пучка, излучаемого ведомым лазерным излучателем 17. В качестве ведомого лазерного излучателя возможно использовать, например, фемтосекундный твердотельный титан-сапфировый лазер, частота следования импульсов которого синхронизована с частотой следования импульсов лазера 1 посредством блока синхронизации 18.

Блок синхронизации 18 может включать электронную схему фазовой автоподстройки частоты, генерирующую электрический сигнал, параметры которого зависят от мгновенной частотной расстройки между излучателями 1 и 17. Этот сигнал может быть использован блоком 18 для управления содержащимися в резонаторе излучателя 17 подвижными зеркалом и призмой, обеспечивая, таким образом, равенство частоты следования импульсов излучателя 17 частоте импульсов задающего излучателя 1.

Генерируемый ведомым лазерным излучателем 17 пучок далее подается в электрооптический селектор импульсов 16, прореживающий исходную последовательность лазерных импульсов до частоты, соответствующей частоте получаемых при помощи ускорителя ТГц импульсов. Тактовый сигнал, определяющий степень прореживания, может быть подан на селектор импульсов с блока управляющей электроники ускорителя. Селектор импульсов при этом может быть выполнен в виде электрооптического кристалла бета-бората бария, дигидрофосфата калия, титанил-фосфата калия с приложенными к нему высоковольтными электродами, а также пары поляризаторов и высоковольтного блока питания.

Полученная при помощи селектора прореженная последовательность оптических лазерных импульсов затем подается при помощи плоского зеркала 15 на прецизионную линию задержки 12, управляемую посредством компьютера 11. При этом линия задержки может представлять собой уголковый отражатель (ретрорефлектор), установленный на подвижной каретке и смещаемый вдоль пучка, ориентируемого зеркалом 15. Для перемещения каретки линии задержки может быть использован шаговый двигатель с контроллером и червячной передачей, выполненные таким образом, чтобы обеспечивать величину единичного шага каретки, соответствующую требованиям на разрешение ТГц спектрометра во времени.

Возвращающийся из линии задержки пучок излучателя 17 далее подается на зеркало 14, установленное вместе с зеркалом 15 таким образом, чтобы обеспечить синхронность моментов прибытия ТГц импульса и оптического импульса на кристалл-детектор 7, при нахождении линии задержки 12 в ее среднем положении.

Отраженный зеркалом 14 пучок излучателя 17 далее соосно совмещается с пучком ТГц излучения, что может быть достигнуто, например, за счет использования фокусирующей линзы 13 и параболического зеркала 6, в котором выполнено малое сквозное отверстие для пучка излучателя 17, имеющего за счет фокусировки малый поперечный размер в окрестности рабочей поверхности зеркала 6.

Совмещенные друг с другом пучок излучателя 17 и полученный с помощью ускорителя ТГц пучок распространяются далее соосно и имеют общую перетяжку внутри кристалла-детектора 7, являющегося чувствительным элементов ТГц приемника 24. ТГц приемник может быть реализован на основе корреляционного метода детектирования ТГц поля со стробированием квазистационарного поля ТГц импульса фемтосекундным лазерным импульсом, реализуемое при значительной разнице в длительностях указанных импульсов. Как известно специалистам, в качестве нелинейности, реализующей возможность такого корреляционного метода, может быть использована оптическая нелинейность второго порядка, присущая известным классам полупроводниковых кристаллов, например, кристаллу теллурида цинка. Изменение состояния поляризации проходящего через такой кристалл излучения лазера 17 под воздействием поля ТГц импульса может быть измерено при помощи четвертьволновой пластинки 8, преобразующей линейную поляризацию излучения лазера в эллиптическую с соотношением полуосей, зависящим от величины поля ТГц импульса для фиксированного положения линии задержки. Для регистрации величины поля, таким образом, может быть применена призма Волластона 9, разделяющая поступающее на нее эллиптически поляризованное излучение на две ортогонально линейно поляризованные составляющие, средняя мощность которых регистрируется при помощи балансного фотодиода с дифференциальным усилителем 10. Аналоговый сигнал на выходе балансного фотодиода 10 оцифровывается и фиксируется персональным компьютером 11, который после каждого подобного измерения последовательно изменяет положение линии задержки 12, обеспечивая стробирование следующего временного фрагмента ТГц импульса. Поточечная запись временного профиля электромагнитного поля за счет варьирования задержки между импульсами ТГц и лазерного излучения позволяет зафиксировать особенности поглощения, имеющие место в образце 5, так как полученные таким образом данные несут информацию как об амплитуде, так и о фазе прошедшего через него ТГц импульса.

Таким образом, при выполнении оптико-электронного комплекса в соответствии с настоящим изобретением обеспечивается возможность применения метода широкополосной ТГц спектроскопии с высоким временным разрешением при использовании в качестве источника ТГц излучения электронных ускорителей и, в частности, основанных на них лазеров на свободных электронах. Следовательно, в настоящем изобретении реализуется возможность получения амплитудных и фазовых спектров пропускания образцов при их возбуждении ТГц импульсами, имеющими энергию в десятки и сотни мДж, что недоступно для традиционных схем ТГц спектроскопии, включая схемы, использующие для генерации кристаллы ниобата лития, приспособленные для работы с наклонным волновым фронтом.

Изобретение относится к основанному на фемтосекундной лазерной технологии устройству регистрации амплитуды и фазы импульсного ТГц излучения, генерируемого при помощи электронных пучков субпикосекундной длительности, формируемых ускорителем элементарных частиц. Предлагаемый фемтосекундный оптико-электронный комплекс для измерения поля ТГц импульсов содержит источник мощного импульсного ТГц излучения, основанный на ускорителе электронов, оптическую систему доставки ТГц излучения к образцу, фемтосекундный лазерный излучатель с селектором импульсов, синхронизированный по частоте следования импульсов с источником ТГц излучения за счет использования системы фазовой автоподстройки частоты, оптическую линию задержки, обеспечивающую возможность управления относительной задержкой между ТГц импульсами и импульсами фемтосекундного излучателя, а также широкополосный приемник ТГц излучения, чувствительный к величине электрического поля подаваемых на него ТГц импульсов и работающий за счет нелинейно-оптического взаимодействия регистрируемых ТГц импульсов и импульсов фемтосекундного излучателя. Регистрация данных измерений, их обработка и получение ТГц спектров пропускания образцов производится при помощи компьютера, управляющего другими подсистемами комплекса. Технический результат заключается в обеспечении возможности осуществления измерений методом ТГц спектроскопии с высоким временным разрешением за счёт регистрации амплитудных и фазовых спектров пропускания исследуемых образцов, облучаемых импульсным ТГц излучением повышенной энергии. 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Фемтосекундный оптико-электронный лазерный комплекс, содержащий:

- ускоритель электронов, в том числе приспособленный для генерации периодической последовательности импульсов в ТГц диапазоне частот;

- оптическую систему доставки и фокусировки ТГц излучения, содержащую зеркала, линзы, держатель образца - объекта исследования, а также регулируемый ослабитель излучения, которые в совокупности обеспечивают возможность контролируемого облучения образца или его малой области импульсами в ТГц диапазоне частот, и доставки прошедшей через образец такой последовательности на широкополосный приемник ТГц излучения;

- ведомый фемтосекундный лазерный излучатель, генерирующий последовательность коротких (фемтосекундных) оптических импульсов, которая может быть синхронизована с последовательностью импульсов в ТГц диапазоне ТГц частот;

- электронный блок, обеспечивающий синхронизацию последовательности оптических импульсов, излучаемых ведомым фемтосекундным лазерным излучателем, с последовательностью импульсов в ТГц диапазоне частот, при этом получаемая за счет работы блока синхронизации последовательность оптических импульсов имеет частоту, кратную таковой у последовательности импульсов в ТГц диапазоне частот;

- селектор импульсов, установленный в пучок ведомого фемтосекундного излучателя и формирующий из поступающей на его вход последовательности оптических импульсов прореженную последовательность, совпадающую по частоте с последовательностью импульсов в ТГц диапазоне частот;

- оптическую линию задержки, обеспечивающую возможность непрерывной или дискретной подстройки величины вносимой задержки с точностью, достаточной для обеспечения требуемого разрешения при регистрации временного профиля электрического поля ТГц импульсов;

- широкополосный приемник ТГц излучения, на который подается прошедшая через образец последовательность импульсов в ТГц диапазоне частот, а также синхронизированная с ней последовательность оптических импульсов, при этом широкополосный приемник ТГц излучения является чувствительным к величине электрического поля подаваемой на него последовательности в ТГц диапазоне частот;

- компьютер, обеспечивающий управление фемтосекундным оптико-электронным комплексом, в том числе осуществляющий изменение вносимой задержки между последовательностью оптических импульсов и импульсов в ТГц диапазоне частот.

2. Комплекс по п. 1, в котором упомянутый ускоритель электронов содержит задающий фемтосекундный лазерный излучатель, фотокатод, освещаемый этим излучателем, непосредственно ускорительное устройство и ондулятор, в котором происходит генерация последовательности ТГц импульсов.

3. Комплекс по п. 2, в котором задающий фемтосекундный лазерный излучатель дополнительно содержит фотоприемное устройство, генерирующее электрический сигнал из последовательности оптических импульсов, генерируемой этим фемтосекундным лазерным излучателем.

4. Комплекс по п. 2, в котором задающий фемтосекундный лазерный излучатель дополнительно содержит подвижные элементы резонатора, обеспечивающие возможность контролируемого изменения частоты следования генерируемой им последовательности импульсов.

5. Комплекс по п. 1, в котором оптическая линия задержки выполнена в виде перемещаемой при помощи червячной передачи каретки, на которую установлен ретрорефлектор в виде уголкового отражателя, а привод червячной передачи осуществляется за счет шагового двигателя, управляемого при помощи соответствующего контроллера и указанного компьютера.

6. Комплекс по п. 1, в котором широкополосный приемник ТГц излучения реализован с использованием метода электрооптического стробирования, а на вход приемника подается последовательность импульсов в ТГц диапазоне частот в виде сфокусированного пучка, соосного с пучком также подаваемого на приемник оптического излучения, сгенерированного ведомым фемтосекундным лазерным излучателем, причем указанное оптическое излучение предварительно пропущено через упомянутую линию задержки.

7. Комплекс по п. 6, в котором широкополосный приемник ТГц излучения содержит электрооптический полупроводниковый кристалл, четвертьволновую пластинку, призму Волластона и балансный фотоприемник с дифференциальным усилителем.