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 EH_12q-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 ЕH_12q-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 EH_12q-мода має максимальну інтенсивність поля в фокальній області лінзи. Для азимутально поляризованих TE_02q- та TE_03q-мод максимум поля мають центральні лепестки, які помітно зміщені від фокуса лінзи. При гострому фокусуванні в розподілі поля у радіально поляризованих TМ_02q- та ТМ_03q-мод спостерігається зростання осьової інтенсивності. При цьому їх центральні лепестки, як і у вищих TE_0nq-мод, помітно зміщені від фокуса лінзи.