CC BY
74
УДК 535-92, 535-14, 608.3
РАСЧЕТ ПЕРЕСТРАИВАЕМОГО ЗЕРКАЛЬНОГО ОБЪЕКТИВА ДЛЯ ИМПУЛЬСНОГО ТЕРАГЕРЦОВОГО РЕФЛЕКТОМЕТРИЧЕСКОГО
СПЕКТРОГРАФА-ИНТРАВИЗОРА Е.В. Новоселов, В.Г. Беспалов
Представлены результаты моделирования перестраиваемого зеркального объектива для импульсного терагерцового
рефлектометрического спектрографа-интравизора с использованием программы Zemax.
Ключевые слова: терагерцовое излучение, рефлектометр, спектрограф-интравизор, зеркальный объектив.
Введение
Излучение терагерцового (ТГц) диапазона имеет уникальные характеристики: многие вещества являются прозрачными для данного излучения. В сравнении с видимыми или инфракрасными волнами ТГц излучение может проникать в органические материалы, такие как кожа, пластики, одежда или бумага. Вследствие низкой энергии ТГц фотона оно не вызывает повреждений, связанных с ионизирующими излучениями (такими, как рентгеновское или УФ излучение). Благодаря этим свойствам данный вид излучения идеально подходит для неразрушающей диагностики, что необходимо, например, при контроле содержимого багажа в аэропортах, обнаружении прослушивающего оборудования либо тайников в помещениях, а также в медицине для исследования тканей человека [1]. В то же время ТГц диапазон охватывает актуальную область колебательных, вращательных и трансляционных линий широкого класса органических молекул, что важно для целей спектроскопии и диагностики материалов [2].
Рис. 1. Схема терагерцового рефлектометра, использующая параболические зеркала
для фокусировки ТГц излучения
Фокусировка терагерцового излучения
В настоящее время для фокусировки ТГц излучения наиболее часто применяются схемы, использующее внеосевые параболические зеркала.
На рис. 1 приведена схема экспериментальной установки, использованной в работе [3]: для генерации ТГц излучения выращенный при низкой температуре кристалл GaAs облучался импульсным излучением лазера на титане с сапфиром с длиной волны 800 нм, длительностью 80 фс и частотой следования импульсов 80 МГц. Образец помещался на моторизированную платформу, которая позволяла осуществлять линейное сканирование. Фокусировка и сбор отраженного излучения осуществлялись при помощи систем, использующих линзы и внеосевые параболические зеркала.
Недостатком использования параболических зеркал является сложность расчета и юстировки; кроме того, представленные в литературе фокусирующие системы обычно не являются перестраиваемыми.
Целью данной работы является разработка оптической схемы (рис. 2) для проведения экспериментов по исследованию термобарьерного покрытия турбинных лопаток.
Е.В. Новоселов, В.Г. Беспалов
Терагерцовый рефлектометрический спектрограф-интравизор
Нами предложена схема терагерцового рефлектометрического спектрографа-интравизора, которая приведена на рис. 2. Для получения излучения в диапазоне 0,1-1,5 ТГц применяется метод генерации фотопроводящей антенной при облучении фемтосекундными импульсами [4]. В качестве источника накачки используется фемтосекундный УЪ:КУ"^лазер Solar FL-1 (длина волны 1040 нм, длительность импульса 150 фс, частота следования 80 МГц, средняя мощность 1,2 Вт). Излучение лазера попадает на полупроводниковый кристалл InAs, помещенный в центр магнитной системы с постоянным магнитным полем величиной 1,8 Тл, где путем возбуждения фотоносителей и происходит генерация ТГц излучения. Форма спектра ТГц излучения близка к колоколообразной с центром вблизи 0,3 ТГц и шириной от 0,1 до 1,5 ТГц по уровню 0,01 и приведена на рис. 3.
Рис. 2. Схема импульсного терагерцового рефлектометрического спектрографа-интравизора с перестраиваемым зеркальным объективом
Амплитуда, отн. ед.
0,1 -
0,01-
-I-1,0
Частота, ТГц
Рис. 3. Спектр ТГц излучения
Далее ТГц излучение коллимируется параболическим зеркалом с главным фокусом 120 мм и апертурой 90 мм, после чего попадает на поляризационный делитель, от которого отражается излучение только вертикальной линейной поляризации, которое, пройдя четвертьволновую пластинку, преобразуется в излучение с круговой (например, правосторонней) поляризацией. Далее с использованием перестраиваемого зеркального объектива излучение фокусируется в требуемой точке исследуемого объекта. Отражаясь от обычного изотропного образца, излучение, как правило, сохраняет поляризацию; т.е. при распространении в обратном направлении на четвертьволновую пластинку приходит излучение с круговой, но уже с левосторонней поляризацией. Пройдя четвертьволновую пластинку, излучение с левосторонней круговой поляризацией преобразуется в излучение с горизонтальной поляризацией и проходит
через ТГц поляризационный делитель. Далее излучение фокусируется на электрооптический детектор (ЭО) - кристалл теллурита кадмия, вырезанный по направлению [100]. При попадании одновременно пробного пучка фемтосекундного излучения и пучка ТГц излучения на электрооптический кристалл С^Ге ТГц импульс наводит в кристалле двулучепреломление для пробного пучка вследствие электрооптического эффекта [5]. Величина двулучепреломления прямо пропорциональна напряженности электрического поля ТГц волны в данный момент £(/). Измерение двулучепреломления производится устройством, состоящим из четвертьволновой пластины, призмы Волластона, балансного фотодетектора и синхронного усилителя, управляемого от оптико-механического модулятора, помещенного в пучок накачки. Сигнал с синхронного усилителя поступает на цифровой вольтметр, что позволяет производить измерения с помощью персонального компьютера.
Перестраиваемый зеркальный объектив
Перестраиваемый зеркальный объектив состоит из двух зеркал и собирающей линзы. Одно из зеркал радиусом 250 мм является сферическим и имеет радиус кривизны 450 мм. Преимуществом использования для фокусировки сферического зеркала является уменьшение габаритов объектива. Второе зеркало - плоское, радиусом 40 мм.
В качестве материала для собирающей линзы был выбран полиметилпентен (ГРХ) [6]. Он прозрачен для излучения в ультрафиолетовом, видимом и дальнем инфракрасном диапазонах. Его показатель преломления равен 1,460±0,006, и он практически не зависит от длины волны. Оптические потери в материале очень низкие вплоть до миллиметровых волн. Дисперсия показателя преломления полиметил-пентена приведена в таблице. Расчет проводился для длины волны 500 мкм. Для аппроксимации показателя преломления использовалась формула Конради.
X, мкм п
0,633 1,4630
24 1,4568
60 1,4559
300 1,4600
667 1,4600
1000 1,4650
3191 1,4660
Таблица. Дисперсия показателя преломления полиметилпентена
Рис. 4. Схема перестраиваемого зеркального объектива: Л - линза; З - зеркало; СЗ - сферическое зеркало. Размеры указаны в миллиметрах
И.А. Коняхин, Т.В. Копылова
Для расчета объектива использовалась программа Zemax [7], применяемая при проектировании оптических систем. Программа Zemax позволяет моделировать и рассчитывать оптические и оптико-механические системы различной сложности методом трассировки лучей. В результате получено, что наиболее оптимальный результат по таким параметрам, как минимальный размер объектива, минимальный размер пятна фокусировки и максимальная величина апертуры сферического зеркала, достигается при использовании линзы с радиусом кривизны обоих поверхностей 100 мм и толщиной 10 мм. Рассчитанный объектив обеспечивает перестройку глубины фокусировки на 500 мм. На рис. 4 приведена схема рассчитанного объектива, смоделированного в программе Zemax.
Заключение
В результате компьютерного моделирования в программе Zemax рассчитаны параметры зеркального объектива для импульсного терагерцового рефлектометрического спектрографа-интравизора, удовлетворяющего заданным требованиям: фокусировка излучения на длине волны 500 мкм, изменение расстояния фокусировки на 500 мм. В дальнейшем планируется изготовление необходимых деталей перестраиваемого зеркального объектива, создание импульсного терагерцового рефлектометрического спек-трографа-интравизора и проведение на нем экспериментов.
Работа выполнялась в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы, ГК № Ш72.
Литература
1. Dragoman D., Dragoman M. Terahertz field and application // Progress in Quantum Electronics. - 2004. -V. 2S. - P. 1-бб.
2. Fitzgerald A. J. et al. An introduction to medical imaging with coherent terahertz radiation // Phys. Med. Biol. - 2002. - V. 47. - P. 3727-3734.
3. Chia-Chu Chen et al. Pulsed-terahertz reflectometry for health monitoring of ceramic thermal barrier coatings // Opt. Exp. - 2010. - V. 1S. - № 4. - P. 3477-34S6.
4. Беспалов В.Г., Городецкий А.А., Денисюк И.Ю., Козлов С.А., Крылов В.Н., Лукомский Г.В., Петров Н.В., Путилин С.Э. Методы генерации сверхширокополосных ТГц импульсов фемтосекундными лазерами. // Оптический журнал. - 200S. - Т. 75. - № 10. - С. 34-41.
5. Cook D.J., Hochstrasser R.M. Intense terahertz pulses by four-wave rectification in air // Optics Letters. -2000. - V. 25. - № 1б. - P. 1210-1212.
6. ТГц материалы: сайт ЗАО «Тидекс» [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://tydex.ru/ru/products/thz_optics/thz_materials/, свободный. Яз. рус. (дата обращения 05.10.2010).
7. ZEMAX-EE: сайт «ZEMAX Development Corporation» [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.zemax.com/index.php?option=com_content&task=category ionid=12&id=49&Itemid=132, свободный. Яз. англ. (дата обращения 05.10.2010).
Новоселов Евгений Владимирович - Санкт-Петербургский государственный университет информационных
технологий, механики и оптики, студент, eugene.novoselov@gmail.com Беспалов Виктор Георгиевич - Санкт-Петербургский государственный университет информационных
технологий, механики и оптики, доктор физ.-мат. наук, профессор, vic-torbespaloff@gmail.com
УДК 681.786
ТРЕХКООРДИНАТНЫЙ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЙ АВТОКОЛЛИМАТОР С УВЕЛИЧЕННОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬЮ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛА СКРУЧИВАНИЯ И.А. Коняхин, Т.В. Копылова
Рассмотрен трехкоординатный оптико-электронный автоколлиматор с тетраэдрическим отражателем, два двугранных угла между гранями которого имеют малое отступление от 90o. Установлено, что такой автоколлиматор, построенный по схеме с переотражением пучка при использовании дополнительного плоского зеркала, реализует измерения угла скручивания с увеличенной чувствительностью. Проведен анализ влияния погрешности измерения вследствие влияния поворота отражателя на коллимационные углы.
Ключевые слова: трехкоординатный оптико-электронный автоколлиматор, угол скручивания, тетраэдрический отражатель, чувствительность измерения угла скручивания.
Введение
Для решения метрологических (связанных с угловыми измерениями) задач эффективны трехкоор-динатные оптико-электронные автоколлиматоры, позволяющие контролировать положение объекта относительно двух осей, перпендикулярных оптической оси автоколлиматора (коллимационные оси), и
