CC BY
15
УДК 681.7:535.4
В.М. Ведерников, П.М. Дутов, А.И. Кокарев,В.П. Кирьянов, В.Г. Никитин, И.Г. Пальчикова,А.Р. Саметов, М.Ф. Ступак, Ю.В. Чугуй, В.В. Чуканов Конструкторско-технологический институт научного приборостроения, Новосибирск
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ СОЗДАНИЯ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ ДИФРАКЦИОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫХ ДЛЯ РАБОТЫ В РЕЖИМЕ ПРОПУСКАНИЯ ВЫСОКОИНТЕНСИВНОГО ТЕРАГЕРЦОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
V.M. Vedernikov, P.M. Dutov, A.I. Kokarev,V. P. Kiryanov, V.G. Nikitin, I.G. Palchikova,A.R Sametov, M.F. Stupak, U.V. Chugui, V.V. Chukanov
Technological Design Institute of Scientific Instrument Engineering (TDI SIE) Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences (SB RAS) 41, Russkaya str., Novosibirsk, 630058, Russia
RESEARCH AND DEVELOPMENT OF TECHNOLOGIES FOR CREATING SPECIALIZED TERAHERTZ BAND DIFFRACTION OPTICAL ELEMENTS APPLICABLE FOR HIGH-INTENSIVE TERAHERTZ RADIATION
Technologies of specialized polypropylene terahertz band transparent diffraction elements (SDE) fabrication by method of hot stamping in vacuum chamber are described. Experimental options of SDE samples are analyzed. Focal spot size dependence on polypropylene terahertz consumption is estimated.
В настоящее время активно развиваются направления современной науки, связанные с использованием терагерцового излучения. Применение терагерцового излучения предполагает решение целого ряда сложнейших технических задач, связанных с генерацией, управлением и детектированием волн субмиллиметрового диапазона. Для управления терагерцовым излучением наиболее часто применяются массивные внеосевые параболические зеркала. Однако возможности зеркал в части формирования фокальных областей с заданным распределением энергии в них весьма ограничены. Поэтому разработка специализированных дифракционных элементов (СДЭ) для этих целей является, несомненно, актуальной [1]. Характеристики используемого излучения являются важнейшим фактором, который необходимо учитывать при разработке СДЭ. Рассматриваемые в работе СДЭ пропускающего типа предназначены для управления излучением Лазера на Свободных Электронах (ЛСЭ) [2] Сибирского центра фотохимических исследований и технологий СО РАН. Излучение ЛСЭ имеет диаметр пучка -100 мм, длительность импульса ~ 70 пс, рабочая длина волны перестраивается в диапазоне 0,12-Ю,22 мм. Длина когерентности излучения равна ~(1-КЗ) см, что соответствует длине светового импульса. При такой длине когерентности возможно использование СДЭ. В то же время уникально высокая средняя мощность излучения (до 400 Вт) накладывает ограничения на выбор материалов подложки СДЭ и обуславливает необходимость проведения экспериментальных исследований коэффициентов поглощения и порогов
разрушения СДЭ. В настоящей публикации представлены результаты работ по созданию специализированных пропускающих СДЭ терагерцового диапазона по технологии горячего прессования из листовых материалов в вакуумной камере.
1. Расчёт фазовой функции пропускания СДЭ
Простейший тип СДЭ - это дифракционная линза [3], фазовая функция пропускания которой вычисляется из таковой для безаберрационной рефракционной линзы путём приведения функции к интервалу [0, 2%). В первом порядке дифракции СДЭ реализуется фазовая функция пропускания
кр2
- сферической линзы в приближении Френеля. Здесь X - рабочая
расчётная длина волны излучения, к - волновое число, р - радиальная цилиндрическая координата в плоскости СДЭ, f - фокусное расстояние СДЭ. Чтобы выявить влияние равномерного поглощения излучения в материале СДЭ на распределение интенсивности в каустике, проведено численное моделирование дифракции излучения на СДЭ. Расчёт интенсивности в фокальной плоскости проводился в приближении Кирхгофа-Френеля. Амплитуда дифрагированного поля в каждой точке находилась как сумма амплитуд полей, дифрагированных на каждой из зон СДЭ. Поглощение линзы учитывается в виде дополнительного амплитудного коэффициента
( Х<П
поглощения, зависящего от глубины профиля структуры СДЭ как ехр--,
V 2 у
с!(р) - толщина СДЭ в зависимости от радиальной координаты, % -коэффициент поглощения материала подложки (% = 2,35 мм-1).
На рис.1 приведены графики распределения интенсивности в фокусе дифракционной линзы без учёта поглощения (сплошная линия) и с учётом поглощения в линзе (пунктирная кривая). На рис. 1 видно, что характер распределения не меняется, размер фокального пятна сохраняется. Поглощение проявляется в уменьшении пика интенсивности и мощности излучения в пятне и приводит к нагреву СДЭ, что обуславливает деформацию зон и последующее их разрушение. Аберрации в фокальном пятне начинают проявляться на стадии деформации дифракционной структуры СДЭ.
2. Расчёт профиля поверхности пресс-формы
Профиль поверхности пресс-формы вычисляется путём обращения фазовой функции СДЭ. Структура поверхности представляет собой коаксиальные кольца, содержащие в себе по две зоны Френеля. Расчёт профилей поверхности в пределах каждого кольца проводится в среде программирования МаШСАО.
В качестве иллюстрации на рис. 2 представлен расчётный профиль поверхности пресс-формы на периферии СДЭ.
Допустимые погрешности изготовления определяются требованием малости искажений формируемого волнового фронта в сравнении с длиной волны излучения, а именно: допустимая погрешность местоположения границы зоны составляет 5 мкм, допустимые неровности по полю - 2 мкм,
угол заточки резца должен обеспечить ширину обратного ската на границе зоны на основании рельефа - не более 60 мкм. Перечисленные погрешности не препятствуют достижению оптического качества фокусировки с числом Штреля не менее 0,97.
Рис. 1. Распределение интенсивности в фокусе дифракционной линзы радиусом 37,9 мм и фокусным расстоянием f = 800 мм без учёта поглощения в линзе (сплошная кривая) и с учётом поглощения в линзе (пунктирная кривая). По оси абсцисс отложено расстояние от оптической оси
Рис.2. Профиль поверхности пресс-формы на периферии линзы с фокусным
расстоянием F = 80 мм
Асферические СДЭ имеют монотонную фазовую функцию, содержащую полиномы от радиальной координаты порядка, выше второго. Это приводит к тому, что ширина зон на краю асферик уже, чем у сферических дифракционных линз. Этот факт накладывает более жёсткие ограничения на допустимые погрешности изготовления. Однако, если числовая апертура асферики ~0,95, и рабочая длина волны не менее 130 мкм, то указанные выше погрешности являются допустимыми.
Реализованный программный блок для каждого дифракционного элемента непосредственно используется в процессе программирования станка при изготовлении пресс-формы.
3. Технология изготовления пропускающих СДЭ
В основе технологии изготовления СДЭ лежит метод прессования. Как показал эксперимент, наибольшие искажения рельефа СДЭ и однородности материала в процессе изготовления вносятся остатками воздуха в рабочем объёме пресс-формы. Удовлетворительное качество рельефа СДЭ было получено при использовании горячего прессования из листовых материалов в вакуумной камере. Комплект для прессования элементов в вакуумной камере представлен на рис. 3. Рабочие поверхности пресс-форм для модельного ряда СДЭ изготавливались алмазным точением на станках с ЧПУ При изготовлении пресс-формы пришлось столкнуться с технологическим ограничением на крутизну обратного ската, связанным с углом заточки резца. Образующийся обратный скат, размером « 50 мкм, приводит к падению дифракционной эффективности краевых зон СДЭ, достигающему 50 %. Это не сказывается на геометрических размерах фокального пятна, но снижает общую дифракционную эффективность СДЭ примерно на 15 %.
о 2 4 б S
Рис. 4. Профиль гашения Рис. 3. Комплект детали пресс-ф°рмы люминесценции в фокальной
плоскости линзы
Для изготовления квазиоптических элементов необходимо использовать полимерные материалы, обладающие в терагерцовом диапазоне высоким пропусканием и относительно низким отражением. Наилучшими материалами [4] в этом смысле являются полиэтилен (polyethylene), полипропилен (polypropylene) и тефлон (polytetrafluoroethylene (Teflon)).
Используя известные [4] характеристики полиэтилена, оценим допустимую мощность пучка ЛСЭ, при которой СДЭ, изготовленный из этого материала, начнёт плавиться. При термодинамическом равновесии СДЭ
плотность поглощённой мощности излучения равна конвекционному оттоку тепла от его поверхности. Согласно, поглощённая мощность составляет в интересующем нас диапазоне длин волн примерно 20 % (для толщины образца равной 2 мм). За максимально допустимую температуру нагрева примем температуру плавления (Т = 120 °С), а температуру окружающей среды положим равной ТО = 20 °С. Тогда для интенсивности излучения /0 в каждой точке поверхности справедливо соотношение: 0,2 /0 = 2а(Т - 7о), где
Л
коэффициент теплообмена а = 12 Вт/м -°С. Отсюда следует, что /о = 12 ООО
Л
Вт/м . Полная допустимая мощность составит примерно 94 Вт, если считать пучок излучения с радиусом 50мм однородным по сечению. Настоящим преимуществом СДЭ перед рефракционными является возможность изготавливать их в очень тонких подложках толщиной порядка 380 мкм. В этом случае ожидаемая лучевая стойкость будет выше оценочной.
Экспериментально изготавливались и исследовались образцы СДЭ из полипропилена и конструкционного органического стекла.
4. Экспериментальное исследование оптических характеристик СДЭ
Исследование оптических характеристик созданных СДЭ осуществлялось на одной из рабочих станций ЛСЭ. Излучение терагерцового диапазона подводится на металлическое зеркало, которое направляет излучение на поляризатор, с помощью которого устанавливается уровень излучения, необходимый для неискажённой регистрации излучения на люминесцентном экране.
Люминесцентный экран возбуждается ультрафиолетовым источником. Исследуемое излучение терагерцового диапазона производит тушение процесса люминесценции, причём эффективность тушения в каждой точке экрана пропорциональна падающей локальной мощности излучения терагерцового диапазона. Изменения в интенсивности люминесценции вещества экрана регистрируются с помощью ССД камеры. На рис. 4 приведены результаты измерения профиля гашения люминесценции, полученные после соответствующих нормировок в фокальной плоскости линзы (сплошная линия) и стандартное гауссово распределение (точечная линия). Измеренный диаметр фокального пятна (на уровне 1/е2) равен: 2,7 мм. При частичном заполнении светового диаметра линзы излучением, наблюдается уширение пятна.
Испытания СДЭ в пучке ЛСЭ с мощностью 100 Вт выявило чувствительность лучевой стойкости СДЭ к погрешностям изготовления пресс-формы. Локальное оплавление профиля началось в области линзообразной каверны в центре СДЭ примерно через 6 мин облучения. Это связано с локальным перегревом элемента в связи с паразитной концентрацией энергии. Локальные оплавления мелких элементов структуры СДЭ, образованных шероховатостью поверхности стальной матрицы пресс-формы существенной деградации пятна фокусировки не вызывали. Дополнительное конвекционное воздушное охлаждение и улучшение качества поверхности пресс-формы позволит СДЭ работать в пучке ЛСЭ с мощностью порядка 100 Вт.
5. Заключение
Разработанная технология позволит изготовить любой наперёд заданный модельный ряд СДЭ, даже таких у которых размер внешних зон сравним с длиной волны терагерцового излучения. В результате исследования оптических характеристик изготовленных элементов выявлено, что значения диаметров пятна фокусировки этих элементов превышают дифракционный предел примерно на 10-15 %, что может быть связано, главным образом, с характером распределения энергии в пучке излучения и хроматической аберрацией ДОЭ из-за конечной ширины спектра излучения. Оптимизация и доработка созданной технологии позволит оснащать рабочие станции ЛСЭ специализированными селективными квазиоптическими элементами с высокой лучевой стойкостью.
6. Благодарности
Авторы выражают благодарность сотрудникам ИЯФ СО РАН профессору Б.А. Князеву и В.В. Герасимову за содействие в проведении экспериментов на ЛСЭ СО РАН.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Б.А. Князев, В.С. Черкасский. Отражающие дифракционные оптические элементы и их применение для управления излучением терагерцового лазера на свободных электронах. Вестник НГУ. Серия: Физика. 2006. Т. 1, вып. 2. С. 3-20.
2. Bolotin V.P., Vinokurov N.A., Kayran D.A. Et al. Status of the Novosibirsk terahertz FEL//Nuclear Instrument and Methods in Physics Research. A 543. 2005. p. 81-84.
3. I.G. Palchikova, V.P. Koronkevich. Modern zone plates. Optoelectronics, Instrumentation & Data Processing", 1992, №1, p. 86-101.
4. http://www.tydex.ru/products/products6/thz_materials.html.
© В.М. Ведерников, П.М. Дутов, А.И. Кокарев, В. П. Кирьянов, В.Г. Никитин,И.Г. Пальчикова, А.Р. Саметов, М.Ф. Ступак, Ю.В. Чугуй, В.В. Чуканов, 2009
