Селекція та фокусування мод вищих порядків у безперервному хвилевідному терагерцовому лазері
Анотація
Актуальність. Розглядаються задачі селекції та фокусування мод вищого порядку діелектричного хвилевідного лазера. Запропонована та досліджена схема селекції мод в хвилевідних квазіоптичних резонаторах може бути використана при розробці та створенні нових конструкцій лазерних систем з керованими характеристиками для наукових і прикладних досліджень - одномодових лазерів з заданою формою та поляризацією вихідного пучка. Результати досліджень фокусування лазерних пучків можуть бути використані для розв’язання задач, що пов’язані з взаємодією електромагнітних хвиль з речовиною: діагностика поверхні матеріалів, тонких плівок, біологічних об’єктів, досягнення субхвильової роздільної здатності ТГц томографії, для радіолокаційних та телекомунікаційних застосувань тощо.
Мета роботи — встановлення фізичних закономірностей селекції та фокусування хвильових лазерних пучків безперервного випромінювання терагерцового діапазону з різною просторовою поляризацією.
Матеріали та методи. В роботі для розрахунку модових характеристик хвилевідного лазерного резонатора з неоднорідним фазоступеневим дзеркалом використовувався матричний метод. Для вивчення поширення і фокусування лазерних пучків, збуджуваних модами хвилевідного квазіоптичного резонатора в різних зонах дифракції, була застосована векторна теорія Релея-Зоммерфельда. Для експериментального вивчення досліджуваних явищ застосовувалися добре відомі методи вимірювань ТГц діапазону.
Результати. Вперше запропоновано, теоретично обґрунтовано та експериментально підтверджено метод селекції вищої EH12q-моди в лазерному резонаторі терагерцового діапазону, що спирається на розміщенні канавки шириною 2,3 – 2,8 l на поверхні одного з дзеркал резонатора. Це дозволяє значно збільшити втрати для всіх небажаних мод. При цьому втрати для вищої ЕH12q-моди залишаються практично незмінними, що створює умови для її переважного збудження. Проведено теоретичні й експериментальні дослідження помірного та гострого фокусування у вільному просторі мод вищого порядку з різною просторовою поляризацією діелектричного хвилевідного резонатора.
Висновки. Показано, що запропоноване фазовоступеневе дзеркало з канавкою ефективно селектує необхідну вищу поперечну моду. Показано, що лінійно поляризована EH12q-мода має максимальну інтенсивність поля в фокальній області лінзи. Для азимутально поляризованих TE02q- та TE03q-мод максимум поля мають центральні лепестки, які помітно зміщені від фокуса лінзи. При гострому фокусуванні в розподілі поля у радіально поляризованих TМ02q- та ТМ03q-мод спостерігається зростання осьової інтенсивності. При цьому їх центральні лепестки, як і у вищих TE0nq-мод, помітно зміщені від фокуса лінзи.
Завантаження
Посилання
2. Fu J, Yu X, Wang Y, Chen P. Generation of pure longitudinal magnetization needle with tunable longitudinal depth by focusing azimuthally polarized beams. Applied Physics B. 2018 Dec;124(1):11. https://doi.org/10.1007/s00340-017-6886-5
3. Kozawa Y, Sato S. Sharper focal spot formed by higher-order radially polarized laser beams. Journal of the Optical Society of America A. 2007 May;24(6):1793–1798. https://doi.org/10.1364/JOSAA.24.001793
4. Stafeev SS, Kozlova ES, Nalimov AG, Kotlyar VV. Tight focusing of a cylindrical vector beam by a hyperbolic secant gradient index lens. Optics Letters. 2020 Mar;45(7):1687–1690. https://doi.org/10.1364/OL.389803
5. Kallioniem L, Turquet L, Lipsanen H, Kauranen M, Bautista G. Tailoring the longitudinal electric fields of high-order laser beams and their direct verification in three dimensions. Optics Communications. 2020 Mar; 459:124894. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2019.124894
6. Stafeev SS, Kozlova ES, Nalimov AG. Focusing a second-order cylindrical vector beam with a gradient index Mikaelian lens. Computer Optics. 2020;44(1):29–33. https://doi.org/10.18287/2412-6179-CO-633
7. Jin X, Zgang H, Xu Y, Zhang X, Zhu H. Representation and focusing properties of higher-order radially polarized Laguerre–Gaussian beams. Journal of Modern Optics. 2015 Feb;62(8):626–632.
https://doi.org/10.1080/09500340.2014.999138
8. Khonina SN, Alferov SV, Karpeev SV. Strengthening the longitudinal component of the sharply focused electric field by means of higher-order laser beams. Optics Letters. 2013 Aug;38(17):3223–3226. https://doi.org/10.1364/OL.38.003223
9. Kulipanov GN, Lisenko AA, Matvienko GG, Oshlakov VK, Kubarev VV, Chesnokov EN, et al. Experimental study of the interaction between terahertz radiation from the Novosibirsk free electron laser and water aerosol. Atmospheric and Oceanic Optics. 2014 Apr;28(2):165168.
https://doi.org/10.1134/S1024856015020062
10. Volodenko AV, Gurin OV, Degtyarev AV, Maslov V.A, Svich VA, Topkov AN. Selection of the higher transverse modes of a waveguide quasi-optical resonator. Quantum Electronics. 2010 Jan;40(1):68–72. https://doi.org/10.1070/QE2010v040n01ABEH014142
11. Li G, Wang D, Fang L, Ran Z, Yan Q. Improvement to beam quality of optically pumped terahertz gas lasers with hole-coupling resonators. Optical Engineering. 2019 Feb;58(2):026104.
https://doi.org/0.1117/1.OE.58.2.026104
12. Gurin OV, Degtyarev АV, Dubinin NN, Legenkiy MN, Maslov VA, Muntean KI, et al. Formation of beams with nonuniform polarisation of radiation in a cw waveguide terahertz laser. Quantum Electronics. 2021;51(4):338–342. https://doi.org/10.1070/QEL17511
13. Gurin OV, Degtyarev АV, Dubinin MM, Maslov VA, Muntean KI, Ryabykh VN, et al. Focusing of modes with an inhomogeneous spatial polarization of the dielectric resonator of a terahertz laser. Telecommunications and Radio Engineering. 2020;79(2):105–116. https://doi.org/10.1615/TelecomRadEng.v79.i2.30
14. Degtyarev A., Maslov V., Topkov A. Continuous-wave terahertz waveguide lasers. LAP LAMBERT Academic Publishing; 2020. 80 p.
15. Epishin VA, Maslov VA, Pokormyakho NG, Svich VA. Investigation of the oscillation modes and optimization of the output power of optically pumped submillimeter waveguide lasers. Quantum Electronics.1989 Aug;19(8):1007–1010.
16. Marcatily EAJ., Schmeltzer RA. Hollow metallic and dielectric waveguides for long distance optical transmission and lasers. Bell Labs Technical Journal. 1964 Jul;43(4):1783–1809.
https://doi.org/10.1002/j.1538-7305.1964.tb04108.x
17. Henningsen J, Hammerich M, Olafsson A. Mode structure of hollow dielectric waveguide lasers. Applied Physics. B. 1990 Oct;51(4):272–284. https://doi.org/10.1007/BF00325048
18. Luneburg RK. Mathematical theory of optics. California: University of California Press; 1966. 448 p.
19. Goodman JW. Introduction to Fourier optics. McGraw-Hil; 1996. 457 p.
20. Greivenkamp JE. Geometrical optics. Arizona: University of Arizona; 2003. 128 p.
21. Ivanov VS, Zolotarevsky YM, Kotyuk AF. Fundamentals of optical radiometry. Moscow, Russia: Fizmatlit (in Russian); 2003. 544 p.
