В. В. Кубарев

УДК 535.341
Измерители мощности и системы визуализации терагерцового излучения на Новосибирском лазере на свободных электронах
В. В. КУБАРЕВ¹, Е.В. МАКАШОВ, К.С. ПАЛАГИН, С.С. СЕРЕДНЯКОВ, М.Г. ФЕДОТОВ

Аннотация – В статье рассматриваются два типа измерителей мощности для Новосибирского терагерцового лазера на свободных электронах (НЛСЭ). Первый - это экспозиционный эталонный прибор на базе теплоизолированной сапфировой пластины. Показано, что этот калориметр имеет постоянный коэффициент черноты равный 0,74 во всем спектре генерации НЛСЭ. Второе устройство – это калориметр постоянного излучения со специальным поглощающим конусом с керамическим покрытием Al₂O₃, нанесенным газодинамическим методом.

Представлены две системы визуализации терагерцового излучения с рабочим полем 152 мм × 152 мм. Первая представляет собой термофлюоресцентный экран с оптической видеокамерой, а вторая – это одномерная сканирующая линейка из тридцати пироэлектрических детекторов. Небольшие пучки и объекты будут исследоваться при помощи коммерческой пироэлектрической камеры Pyrocam III с рабочим полем 12 мм × 12 мм.  
 Ключевые слова - терагерцовый диапазон, субмиллиметровый измеритель мощности, системы визуализации терагерцового излучения

1. ВВЕДЕНИЕ

Задача измерения мощности в терагерцовом диапазоне имеет в настоящее время большое значение. Причина заключается в отсутствии каких-либо коммерческих доступных устройств для этого диапазона. В то время как терагерцовое излучение малой мощности может быть измерено коммерческим измерителем мощности после некоторой его модернизации (как правило, требуется нанесение дополнительного поглощающего слоя), мощное излучение может быть полностью поглощено без разрушения самого поглотителя только специальными покрытиями. В этой статье описываются калориметры двух типов, специально созданные для субмиллиметровых волн большой мощности.

Существует некоторая проблема в применении систем визуализации для больших объектов. Коммерческие устройства на основе либо пироэлектрических (например, серии Pyrocam [1]), либо микроболометрических матриц имеют достаточно хорошую чувствительность, но очень маленький размер (~ 1 см  1 см). Если эти матрицы используются в режиме видеокамеры с какой-то оптикой для визуализации достаточно крупных объектов, бóльшая часть терагерцового излучения теряется. В этом случае возникает также потребность в однородном, но не регулярном экране для рассеяния лазерного терагерцового излучения.

Коммерчески доступные термофлюоресцентные пластины производства Macken Instruments Inc. [2] обладают подходящим размером, но их чувствительность в субмиллиметровом диапазоне невысока, в частности, из-за высокой прозрачности чувствительного слоя люминофора. Эти пластины достаточно удобны для диагностики пучка высокой интенсивности, как это следует из их основного назначения. Тем не менее, они неэффективны для ближнепольной диагностики объектов методом просвечивания, так как показывают изображения в отраженном свете, а сами объекты экранируют этот свет. Поэтому в дополнение к вышеупомянутым термофлюоресцентным пластинам, которые успешно использовались во многих наших экспериментах, мы создали систему сканирования на основе линейки из тридцати пироэлектрических детекторов, которая также представлена в этой статье.  
2. ИЗМЕРИТЕЛИ МОЩНОСТИ СУБМИЛЛИМЕТРОВГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Типичные измерители мощности имеют коэффициент поглощения чувствительного элемента близкий к единице. Это не является проблемой в ближней инфракрасной области и особенно в оптическом диапазоне частот. Однако для субмиллиметрового излучения коэффициент отражения типичного "черного" оптического покрытия очень высок (90-98%). Для приложений в области высоких мощностей это покрытие должно быть еще и теплостойким. Керамика Al₂O₃ обладает соответствующими свойствами и используется в нашем втором коническом калориметре. Однако мы не уверены в том, что это устройство полностью поглощает излучение, так как существует возможность его диффузного отражения, вызванного неоднородностями в керамике. Поэтому мы создали эталонный сапфировый калориметр для абсолютного измерения мощности. Основная идея этого устройства заключается в отказе от требования, чтобы коэффициент поглощения был равен единице. Действительно, в более общем случае мы должны только знать точное значение коэффициента поглощения. Это значение может отличаться от единицы. Устройства на основе этого принципа могут быть очень простыми, прогнозируемыми и, следовательно, очень точными.     

Схема сапфирового калориметра показана на рис.1. У большой пластины поликристаллического сапфира оптического качества (диаметр 150 мм, толщина 12 мм) имеется металлический бандаж для ускорения достижения равновесной температуры в случае асимметричного пучка. Калиброванный точный термодатчик типа LM35 находится в тепловом контакте с этим бандажом. Сапфировая пластина помещается в пенопластовую коробку для теплоизоляции. Входное окно коробки сделано из полипропиленовой пленки толщиной 45, 55 или 65 мкм, каждое из которых оптимально для прохождения излучения в определенной части всего



Рис. 1. Схемы сапфирового калориметра (а) и конического калориметра непрерывного излучения (б): 1 - сапфировая пластинка, 2 – металлический бандаж, 3 - термодатчик, 4 - пенопластовая коробка, 5 - полипропиленовые окна, 6 - медный конус, 7 - керамическое покрытие Al₂O₃, 8 - охлаждающая вода, 9 - ГГц калориметр, 10 - терагерцовое излучение.   
диапазона НЛСЭ. Удвоенное расстояние между пленкой и первой поверхностью сапфира превышает длину импульса излучения НЛСЭ (9 см), во избежание интерференции между волнами, отраженными от сапфира и полипропилена.

Выбор сапфира  в качестве материала калориметра можно объяснить его оптическими свойствами. Коэффициент отражения от диэлектрической поверхности равен R=((1- n)²+k²)/((1+n)²+k²), где п и к - действительная и   мнимая части комплексного показателя преломления ñ = n+ik, соответственно. Для поглощающего материала п слабо зависит от частоты, а k зависит сильно и может быть больше п. Сапфир - частично прозрачный материал в субмиллиметровом диапазоне с k << n. Значение п = 3.08, измеренное Фурье-спектрометром, постоянно во всем диапазоне НЛСЭ (120-230 мкм). Таким образом, постоянный коэффициент поглощения (излучения) сапфирового калориметра A=1-R=0.74. Отличное совпадение коэффициента поглощения с этим значением показали и прямые измерения с помощью универсального газового лазера.

Типичный сигнал сапфирового калориметра показан в [3]. Калориметр работает как экспонирующее устройство со временем измерения всего несколько минут, но очень большим временем установления равновесия до комнатной температуры. Поэтому для оперативного измерения в режиме постоянного излучения мы используем наш второй калориметр. Это коммерческий ГГц калориметр с водяным охлаждением, усовершенствованный за счет специальной конической медной головки с керамическим покрытием (Al₂O₃), нанесенным газодинамическим методом. Это устройство откалибровано по эталонному сапфировому калориметру и может использоваться для измерения непрерывного субмиллиметрового излучения мощностью до 1 кВт.

3. СИСТЕМЫ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ТЕРАГЕРЦОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Фотографии автоматизированных систем изуализации на основе термофлюоресцентной пластины и сканирующей линейки пироэлектрических детекторов показаны на рис.2. Во многих аспектах эти системы дополняют друг друга. У первой системы отличное пространственное разрешение (0.2 - 1 мм), но невысокая чувствительность. У второй системы, при времени измерения ~ 1 минуты, шаг сканирования равен 5 мм (минимальное пространственное разрешение равно размеру элемента детектора 1 мм), но гораздо более высокая чувствительность, типичная для пироэлектрических устройств. Пироэлектрическая система требует, как и все многоэлементные устройства, дополнительной процедуры калибровки на рабочей длине волны. Для этого линейку поворачивают на 90 °, и каждый элемент линейки сканирует одно и то же сечение измеряемого пучка. На Рис.3 даны некоторые изображения пучка НЛСЭ. Первое изображение – пучок НЛСЭ на диагностической станции. Можно видеть модуляцию пучка полосами постоянного наклона. Это результат интерференции основного пучка ЛСЭ со слабым (~0.3% мощности основного пучка) дифрагированным излучением в нашем канале. Это дифрагированное излучение имеет достаточно высокий коэффициент отражения при поляризации, перпендикулярной плоскости падения. Для подавления этого излучения в нашем оптическом канале необходимо установить периферийные поглощающие диафрагмы. Другим способом является хорошо известная фурье-фильтрация фокусированного выходного пучка при помощи диафрагмы. Результат такой фильтрации показан на Рис.3б.


Рис. 2. Фотографии систем с использованием термофлюоресцентной пластины (а) и сканирующей линейки пироэлектрических детекторов (б): 1 - термофлюоресцентная пластина, 2 - ультрафиолетовые лампы подсветки, 3 - видеокамера, 4 - зеркало, 5 - линейка пироэлектрических детекторов, 6 - вращающаяся платформа, 7 - стол поступательного перемещения с шаговым приводом.

Рис. 3. Изображения пучка НЛСЭ на диагностической станции: a - выходной пучок без фильтрации, б - отфильтрованный пучок.
Работа выполнена при использовании оборудования ЦКП СЦСТИ и финансовой

поддержке Минобрнауки России.
Powermeters and THz Imaging Systems on the Novosibirsk Terahertz Free Electron Laser.

Kubarev V.V., Makashov E.V., Palagin K.S., Serednyakov S.S., Fedotov M.G.

Two types of powermeters for the Novosibirsk terahertz free electron laser (NovoFEL) are considered in this paper. The first one is an expositional etalon device on the basis of a heat isolated sapphire plate. The calorimeter is shown to have a constant emissivity of 0.74 in the entire generation range of NovoFEL. The second device is a CW calorimeter with a special absorption cone with an Al₂O₃ ceramic coating made by a gas dynamic method. Two 2D beam imaging systems with 152 mm × 152 mm workspace are presented. The first one is a thermofluorescent screen with an optical video camera, and the second one is a scanning 1D line of thirty piroelectric detectors. Small beams and objects will be investigated by a commercial Pirocam III piroelectric camera with 12 mm × 12 mm workspace.
terahertz range, submillimeter powermeter, THz imaging system

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. 
   Material of Spiricon Inc., http://www.spiricon.com., 2007.
   
2. 
   Material of Macken Instruments Inc., http://www.macken.com, 2007.
   
3. 
   Kubarev V.V. Optical properties of CVD-diamond in terahertz range and its applications on the NovoFEL // Conference digest of the Joint 32nd international conference on infrared and millimetre waves, and 15th International conference on terahertz electronics, Cardiff, UK, 3rd –7th Sept., 2007/ Digest eds: M.J. Griffin et al. – Piscataway: IEEE, 2007. – Vol. 2. – P. 863-865.