Гостре та помірне фокусування комбінованих мод терагерцового лазера
Анотація
Актуальність. Розглядається задача гострого та помірного фокусування комбінованих мод діелектричного хвилевідного лазера. Результати дослідження різного типу фокусування лазерних пучків мають широкий спектр потенційних застосувань, від отримання зображень і спектроскопії до зв’язку, зондування, біомедицини та розв’язання задач, які пов’язані з взаємодією електромагнітних хвиль з речовиною: діагностика тонких плівок, поверхні матеріалів, різних біологічних об’єктів та досягнення субхвильової роздільної здатності ТГц томографії.
Мета роботи — встановлення фізичних закономірностей гострого та помірного фокусування лазерних пучків випромінювання, описуваних комбінованими лінійно поляризованими модами круглого порожнистого діелектричного хвилеводу.
Матеріали та методи. Для дослідження фокусування лазерних пучків, які збуджувались модами квазіоптичного хвилевідного резонатора, була використана векторна теорія Релея-Зоммерфельда. Щоб експериментально дослідити ці явища, були використані добре відомі методи вимірювань просторово-енергетичних характеристик лазерних пучків в ТГц діапазоні.
Результати. Теоретично та експериментально встановлені фізичні особливості просторово-енергетичних характеристик лазерних пучків випромінювання з лінійною поляризацією поля при гострому та помірному фокусуванні у вільному просторі, які збуджуються комбінованими модами резонатора лазера на основі круглого діелектричного хвилеводу.
Висновки. Показано, що сумарна інтенсивність поля, як комбінованих TE0n+EH2n, так і EН-1n+EH3n-мод
(n = 1, 2, 3), визначається усіма трьома компонентами та на осі має провал при обох видах фокусування. Центральні максимуми поля даних мод значно зміщуються від геометричних фокусів досліджуваних лінз зі збільшенням порядку n цих мод. Найменший діаметр фокальної плями в області максимальної інтенсивності має EН-11+EH31-мода при гострому фокусуванні, найбільший діаметр фокальної плями має при помірному фокусуванні TE03+EH23-мода.
Завантаження
Посилання
Leitenstorfer A, Moskalenko AS, Kampfrath T, Kono J, Castro-Camus E, Peng K et al. The 2023 terahertz science and technology roadmap. Journal of Physics D: Applied Physic. 2023 Apr;56(22): 223001.
https://doi.org/10.1088/1361-6463/acbe4c
Valusis G, Lisauskas A, Yuan H, Knap W, Roskos HG. Roadmap of terahertz imaging 2021. J Sensors. 2021 Jun;21(12):4092. https://doi.org/10.3390/s21124092
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
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
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
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
Degtyarеv AV, Dubinin MM, Gurin OV, Maslov VO, Muntean KI, Ryabykh VM, et al. Control of tightly focused laser beams in the THz range. Microwave and Optical Technology Letters. 2021. June:3(11):2888-2892. https://doi.org/10.1002/mop.32946
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
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
Winnerl S., Hubrich R., Mittendorff M., Schneider H., Helm M. Universal phase relation between longitudinal and transverse fields observed in focused terahertz beams. New Journal of Physics. 2012 Oct;14(49): 2-12. https://doi.org/10.1088/1367-2630/14/10/103049
Minami Y., Kurihara T., Yamaguchi K., Nakajima M., Suemoto T. Longitudinal terahertz wave generation from an air plasma filament induced by a femtosecond laser. Applied Physics Letters. 2013 Apr; 102(15). 151106. https://doi.org/10.1063/1.4802482
Degtyarеv AV, Dubinin MM, Gurin OV, Maslov VO, Muntean KI, Ryabykh VM, et al. Control over higher-order transverse modes in a waveguide-based quasi-optical resonator. Radio Physics and Radio Astronomy.2022;27(1):129–139. https://doi.org/10.15407/rpra27.02.129
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
Luneburg RK. Mathematical theory of optics. California: University of California Press; 1966. 448 p.
Goodman JW. Introduction to Fourier optics. McGraw-Hil; 1996. 457 p.
Greivenkamp JE. Geometrical optics. Arizona: University of Arizona; 2003. 128 p.
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
Degtyarev A., Maslov V., Topkov A. Continuous-wave terahertz waveguide lasers. LAP LAMBERT Academic Publishing; 2020. 80 p.
