ИСТИНА

Комплексное экспериментальное и теоретическое исследование нового метода измерения спектральной яркости терагерцового излучения, основанного на сравнении измеряемой яркости с эффективной яркостью тепловых флуктуаций и нулевых флуктуаций электромагнитного вакуума на терагерцовой частоте. Метод может быть реализован в условиях детектирования излучения в процессе параметрического преобразования его частоты в нелинейно-оптическом кристалле. Для калибровки яркости терагерцового излучения в единицах фотонов на моду будут использованы сигналы спонтанного параметрического рассеяния света и параметрического преобразования тепловых флуктуаций поля на частоте измеряемого терагерцового поля. Будет развита теория параметрического рассеяния света на нижней поляритонной ветви с учетом поглощения холостых терагерцовых волн, присутствия тепловых флуктуаций поля, генерации сонаправленных и противоположно направленных пар фотонов оптической и терагерцовой частоты. Будет экспериментально исследовано влияние температуры кристалла на соотношение эффективных яркостей квантовых и тепловых флуктуаций поля при различных геометриях рассеяния, определены условия квазисинхронной генерации стоксовых и анти-стоксовых сигналов, соответствующих одинаковой частоте холостого излучения терагерцового диапазона. В ходе выполнения проекта будут созданы установки для нелинейно-оптического детектирования непрерывного и квазинепрерывного терагерцового излучения, исследованы условия согласования мод сигнального и холостого диапазонов, определено влияние потерь терагерцового излучения в кристалле на случайные и систематические погрешности метода.

1. Разработаны и исследованы экспериментальные установки для некогерентного нелинейно-оптического детектирования непрерывного и квазинепрерывного терагерцового излучения в диапазоне частот 0.4 - 2 ТГц с оптической накачкой на длинах волн 514.5 нм (от непрерывного газового Ar лазера), 1.064, 1.047 или 1.053 мкм (от импульсно-периодического твердотельного лазера), и перестраиваемой длиной волны в диапазоне от 780 до 815 нм (от диодной лазерной системы непрерывного действия). Определены способы оптимальной селекции сигналов параметрического преобразования частоты и узкополосного подавления мощности оптического излучения накачки (на 7 и более порядков величины) после прохождения нелинейно-оптического кристалла. 2. Проведена экспериментальная проверка модели параметрического рассеяния света в области терагерцовых частот холостых волн, учитывающая эффект преобразования частоты равновесного теплового излучения. Применимость модели продемонстрирована на примере измеренных спектральных распределений плотности мощности сигнального излучения стоксова и антистоксова параметрического рассеяния в периодически поляризованном кристалле ниобата лития (PPLN) при различных температурах в диапазоне от 35 до 155 градусов Цельсия. Исследованы формы линий рассеяния при коллинеарной геометрии для случаев генерации сигнальных и холостых фотонов в одинаковых и противоположных направлениях. 3. Предложен метод проектирования генераторов и детекторов терагерцового излучения с заданным спектральным профилем отклика с помощью моделирования пространственного распределения нелинейной восприимчивости в нелинейно-оптическом кристалле. Метод продемонстрирован на примере генератора импульсного мультичастотного терагерцового излучения на основе апериодически поляризованного кристалла ниобата лития. 4. Исследовано влияние потерь терагерцового излучения в кристалле на точность измерения его спектральной яркости, основанного на сравнении сигналов параметрического преобразовании частоты детектируемого излучения с «шумовыми» сигналами преобразования квантовых и тепловых флуктуаций поля на терагерцовых частотах. Определена зависимость поправочного фактора, учитывающего коэффициенты поглощения, отражения и длину кристалла. 5. Исследованы вопросы согласования регистрируемых мод сигнального излучения и мод холостого диапазона, заполняемых измеряемым излучением, при нелинейно-оптическом детектировании с учетом допустимых продольных и поперечных расстроек пространственного синхронизма. Получены выражения для поправочного фактора, учитывающего неполное заполнение угла зрения детектора измеряемым излучением в коллинеарной геометрии, в зависимости от сечения луча накачки, длины кристалла, терагерцовой частоты и дисперсионных параметров кристалла. Определены пути оптимизации геометрии нелинейно-оптического преобразования для полного согласования рабочих мод преобразователя и измеряемого излучения. 6. Теоретически исследованы условия наблюдения неклассических свойств оптико-терагерцовых бифотонных полей, генерируемых при частотно-вырожденном параметрическом рассеянии света в кристаллах с различными значениями коэффициентов параметрического преобразования и поглощения терагерцовых волн. Показано, что схема измерения корреляции показаний оптического и терагерцового детекторов обладает рядом преимуществ по сравнению со схемой измерения фактора подавления шума разностного фототока. Показано также, что степень выраженности неклассических свойств в первую очередь зависит от температуры кристалла и детекторов, которая должна быть в любом случае не выше 10К. Изучено влияние поглощения терагерцовых волн на корреляционную функцию и фактор подавления шума разностного фототока при регистрации оптико-терагерцовых бифотонов. 7. Проведен сравнительный анализ методов некогерентного и когерентного детектирования коротких импульсов терагерцового излучения, в том числе схем электро-оптического стробирования, основанных на использовании одного фотоприемника в схемах измерения наведенной амплитуды или фазы поля оптического импульса накачки. Оптимизирована эффективность пробно-энергетической схемы когерентного электро-оптического детектирования за счет спектральной фильтрации пробных лазерных импульсов. Определены оптимальные параметры источников излучения накачки, типов кристаллов и геометрий нелинейно-оптического преобразования для некогерентного детектирования терагерцовых импульсов наносекундной длительности. 8. Исследованы условия применения методов нелинейно-оптического детектирования в схемах терагерцовой спектроскопии и диагностики на примере определения собственных частот материалов, приготовленных в форме порошков. Показано, что сопутствующие эффекты рассеяния приводят к появлению в спектрах пропускания по-разному приготовленных образцов одного и того же вещества фоновых сигналов, маскирующих линии поглощения на резонансных частотах вещества. На основе анализа полученных экспериментальных спектров, выполненного с использованием приближенной теории Ми и с учетом интерференции рассеянных волн, разработана процедура устранения маскирующего фона и определения собственных резонансных частот материала.