ТГц широкополосные фазовые преобразователи

Скачать статью ТГц широкополосные фазовые преобразователи (PDF, 1 MB)

Для изменения поляризации ТГц излучения определенной длины волны используются ТГц монохроматические волновые пластинки. Однако для работы с широкополосным излучением они непригодны. Для случая, когда требуется относительно постоянная ретардация в заданном диапазоне длин волн, мы разработали ТГц широкополосные фазовые преобразователи.


Основные методы расчета широкополосных фазовых преобразователей хорошо известны. Однако они не подходят для случая, когда система измерения имеет высокое разрешение. В связи с этим мы внесли некоторые поправки в методы, учитывая интерференционный эффект.
Широкополосный фазовый преобразователь состоит из нескольких специально ориентированных пластин кристаллического кварца. Соединенные между собой пластины зафиксированы в держателе. Согласно формализму Джонса система нескольких фазовых пластин оптически эквивалентна системе, содержащей только два элемента: так называемые «ретардер» и «ротатор» (см. рис.1). Ретардер осуществляет заданный сдвиг фаз (как правило, π или π/2), а ротатор поворачивает плоскость поляризации на угол ω.

Рис. 1. Широкополосный фазовый преобразователь в терминах формализма Джонса и его положение относительно поляризатора и анализатора.

В зависимости от угла w можно выделить два типа широкополосных фазовых преобразователей.
1) ω не равен 0º и зависит от длины волны. Мы называем это “ахроматическим преобразователем поляризации” (АПП). Пример зависимости ω(λ) приведен ниже. 

Рис. 2. а) Угол ω АПП L/4@60-300мкм.

2) ω примерно равен 0º и постоянен в рабочем диапазоне длин волн. В этом случае речь идет об обычной «ахроматической волновой пластине» (АВП), и ее принцип работы аналогичен принципу работы монохроматической пластины. Пример зависимости ω(λ) приведен ниже.

 Рис. 2. б) Угол ω АВП L/4@60-95мкм.

Мы разработали четвертьволновый ахроматический преобразователь поляризации, четвертьволновую и полуволновую ахроматические пластины. Существуют некоторые особенности расположения АПП и АВП относительно поляризатора и анализатора (см. рис. 1).
АПП и АВП устанавливается относительно поляризатора под углом θ (угол эффективной оптической оси АПП и АВП). Угол θ слабо зависит от длины волны (пример приведен ниже).

Рис. 3. а) Угол эффективной оптической оси АПП L/4@60-300мкм.

Рис. 3. б) Угол эффективной оптической оси АВП L/4@60-95мкм.

Анализатор располагается по отношению к оси поляризатора под углом β (см. рис. 1). В случае АВП позиция анализатора не зависит от длины волны излучения. Однако при работе с АПП анализатор необходимо подстраивать следующим образом:
- в случае преобразования линейно поляризованного излучения в излучение с круговой поляризацией анализатор необходимо вращать согласно зависимости ω(λ) (см. рис. 2).
- в случае обратного преобразования (круговая поляризация в линейную) β=ω±45º.
Отрицательное значение угла ω означает необходимость вращения анализатора в противоположном направлении, то есть против часовой стрелки, если смотреть со стороны поляризатора.
На данный момент мы можем рассчитать и изготовить L/4 АПП, L/4 АВП и L/2 АВП для поддиапазонов, лежащих в интервале от 60мкм до 3000мкм. Ширина поддиапазона определяется конкретными потребностями и технической возможностью изготовления той или иной конфигурации.

Тестирование АПП L/4@60-300мкм и АВП L/4@60-95мкм осуществлялось по схеме, изображенной на рис. 1. АПП и АВП располагались относительно поляризатора под углом эффективной оптической оси (см. рис. 3).
На Фурье-спектрометре Bruker Vertex 70 были проведены измерения пропускания АПП при различных положениях анализатора (см. рис. 4).

Рис. 4. Измеренные спектры пропускания АПП L/4@60-300 мкм при различных позициях анализатора.

Мы выбрали несколько длин волн и для них построили график зависимости пропускания от угла поворота анализатора (см. рис.5).

Рис. 5. Измеренное пропускание АПП L/4@60-300мкм в зависимости от угла поворота анализатора β.

Видно, что пропускание не зависит от угла поворота анализатора (небольшой разброс значений обусловлен особенностями наших Фурье-измерений). Это означает, что излучение, прошедшее АПП, имеет круговую поляризацию, что подтверждает корректную работу АПП.

Свойства АВП L/4@60-95мкм были изучены на длинах волн 77 мкм и 90 мкм с использованием мощного импульсного NH3 лазера в Терагерцовом центре Университета Регенсбурга (Германия). Были проведены измерения интенсивности прошедшего через АВП линейно поляризованного и циркулярно поляризованного излучения в зависимости от угла поворота анализатора. Результаты приведены на рис. 6. Отклонения от идеальной О- и 8- формы не превышают 10%. Полученные зависимости подтверждают корректное преобразование линейно поляризованного излучения в циркулярно поляризованное и наоборот.

Рис. 6. а) Интенсивность лазерного излучения в зависимости от угла поворота анализатора в случае линейно-поляризованного излучения, прошедшего через АВП L/4@60-95мкм.

Рис. 6. б) Интенсивность лазерного излучения в зависимости от угла поворота анализатора в случае циркулярно-поляризованного излучения, прошедшего через АВП L/4@60-95мкм.

Ахроматические волновые пластины мы условно поделили на 2 типа: коротковолновые узкополосные и длинноволновые широкополосные.  Коротковолновые узкополосные пластины работают в узком поддиапазоне в интервале от 60 до 200мкм, в то время как широкополосные - от 200мкм. Изготовление широкополосной ахроматической пластины, работающей от 60мкм, возможно. Однако, следует иметь ввиду, что пропускание в районе 60-100мкм будет низким из-за достаточно большой толщины пластины.  Ниже приведены спектры пропускания узкополосной ахроматической пластины L/2@60-134мкм и широкополосной L/2@60-300мкм. 

Рис. 7. Спектры пропускания узкополосной ахроматической пластины L/2@60-134мкм и широкополосной L/2@60-300мкм.

Измерения широкополосных волновых пластин были осуществлены по схеме, приведенной на рис. 8.  Для получения коллимированного ТГц пучка после излучателя и перед детектором расположены две фокусирующие ТГц линзы. Между линзами находятся волновая пластина и три поляризатора.  Первый поляризатор обеспечивает попадание линейно поляризованного излучения на пластину. Второй поляризатор, так называемый  анализатор, расположен после пластины. За анализатором следует третий поляризатор, ориентированный таким же образом, как первый. Измерения проводились при углах ориентации анализатора 45град и -45град.

Рис. 8. Схема установки для тестирования широкополосных волновых пластин.

На рис. 9 - 12 представлены спектры пропускания и ретардации четвертьволновой ахроматической пластины на диапазон 250-1500мкм и полуволновой на 200-600мкм. 

Полученные результаты подтверждают, что отклонение реальной ретардации четвертьволновой пластины от π/2 не превышает +/-5%,  а полуволновой  пластины от π составляет не более 6%.

Рис. 9. Спектр пропускания широкополосной ахроматической пластины L/4@250-1500мкм.

Рис. 10. Спектр ретардации широкополосной ахроматической пластины L/4@250-1500мкм.

Рис.11. Спектр пропускания широкополосной ахроматической пластины L/2@200-600мкм.

Рис. 12. Спектр ретардации широкополосной ахроматической пластины L/2@200-600мкм.

Общая спецификация:
 

Ахроматический преобразователь поляризации и ахроматическая волновая пластина изготавливаются на заказ.
Для получения котировки заполните, пожалуйста, форму запроса.