Формирование квазидискретного терагерцового спектрального суперконтинуума для беспроводных телекоммуникаций Грачев Ярослав Владимирович

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА 1. Широкополосный тгц квазидискретный суперконтинуум 12

1.1. Метод формирования широкополосного ТГц квазидискретного суперконтинуума с помощью двух импульсов 12

1.2. Формирование широкополосного ТГц квазидискретного суперконтинуума при генерации излучения с помощью эффекта Дембера и детектировании фотопроводящей антенной 16

1.3. Формирование широкополосного ТГц квазидискретного суперконтинуума оптическим выпрямлением фемтосекундного излучения с наклонным фронтом 21

ГЛАВА 2. Система передачи информации квазидискретным терагерцовым суперконтинуумом 26

2.1. Схема эксперимента по передаче информации, закодированной в частотной гребенке импульсного ТГц излучения 26

2.2. Результаты эксперимента по передаче информации, закодированной в квазидискретном ТГц суперконтинууме . 31

Глава 3. Исследование фазовой модуляции терагерцового излучения в сульфоселениде кадмия при воздействии электрического напряжения и света 42

3.1. Обзор исследований оптических свойств кристаллов сульфоселенида кадмия в терагерцовом диапазоне ЭМ волн 42

3.2. Экспериментальные исследования фазового модулятора на основе CdS1-xSex 44

Заключение 56

Благодарности 58

Словарь терминов 59

Список литературных источников 60

• Формирование широкополосного ТГц квазидискретного суперконтинуума при генерации излучения с помощью эффекта Дембера и детектировании фотопроводящей антенной
• Формирование широкополосного ТГц квазидискретного суперконтинуума оптическим выпрямлением фемтосекундного излучения с наклонным фронтом
• Результаты эксперимента по передаче информации, закодированной в квазидискретном ТГц суперконтинууме
• Экспериментальные исследования фазового модулятора на основе CdS1-xSex

Введение к работе

Актуальность темы:

Согласно закона Эдхольма поток передаваемой информации возрастает экспоненциально, к 2018 году ожидается возрастание интернет-трафика до величины 130 экзабайт/месяц [1]. Наиболее быстрорастущая часть этого трафика - это беспроводные каналы передачи информации, так как пользователи мобильных устройств стали активнее обращаться к сети интернет. Со времен создания первых радиоволновых беспроводных линий передачи информации несущие частоты возрастали для удовлетворения требований к пропускной способности вплоть до широких полос пропускания на частотах миллиметровых волн, таких как 60 ГГц и 70-95 ГГц [2]. Однако полная выделенная полоса частот не превышает 7-9 ГГц, что ограничивает полное пропускание канала до несущественного уровня при возрастающих требованиях.

Использование более высоких несущих частот в ТГц диапазоне (0,1-10 ТГц) перспективно при достижении полосы частот ширины в десятки ГГц. Первые демонстрации экспериментов по ТГц беспроводной коммуникации были проведены как с импульсным, так и с непрерывном ТГц излучением [3-5]. Беспроводная телекоммуникационная линия непрерывного излучения с выделенной полосой 10 ГГц (между 116-134 ГГц) осуществила передачу информации на 5 км со скоростью 10 Гбит/с при амплитудной модуляции и 20 Гбит/с при квадратурной фазовой модуляции [6]. Однако, в связи с развитием эффективных источников импульсного ТГц излучения [7] открываются новые возможности по их использованию в беспроводных телекоммуникациях. Исходя из формулы Шеннона, скорость передачи информации С определяется шириной полосы W и соотношением сигнал/шум S/N [8]:

С(битс) = W*log₂(1 + S/N) (0.1)

Импульсное ТГц излучение обладает шириной полосы от сотен ГГц до сотен ТГц [9], что делает его использование в телекоммуникационных системах очень перспективным. Однако, стоит также учитывать особенности распространения ТГц излучения в атмосфере, вызванные в основном сильным поглощением молекулами воды. В зависимости от ослабления сигнала можно выделить частотные диапазоны предпочтительные для различных применений: 100-150 ГГц для дальней связи (1-10 км), менее 350 ГГц для средних расстояний (100 м - 1 км), менее 500 ГГц и диапазоны 625-725 и 780-910 ГГц - для связи внутри зданий и частоты ниже 1 ТГц для коммуникации между устройствами на расстоянии не более 1 м [1]. Применение всех вышеперечисленных диапазонов, а также частот выше 1 ТГц перспективно для систем связи в космосе, где ослабление ТГц излучения не происходит.

При распространении в пространстве ТГц излучение испытывает

сильное дифракционное расхождение, что затрудняет прием излучения всего спектра без использования широкоапертурной оптики. Таким образом, разделение сверхширокополосного ТГц излучения на спектральные каналы является актуальной задачей.

Для использования ТГц излучения в системах визуализации скрытых и/или опасных объектов и системах беспроводной передачи информации необходимы устройства управляющие ТГц излучением, модулирующие его спектральную амплитуду и фазу. Оптическое управление свойствами материала позволяет достигать наибольшего быстродействия и поэтому разработка устройств на основе широко используемого в оптике сульфоселенида кадмия CdS_xSe_1-x является перспективной задачей.

Кристаллы сульфоселенида кадмия CdS_xSe_1-x привлекательны как в фундаментальных исследованиях так и в прикладных задачах ввиду возможности регулирования запрещенной зоны и управления физико-химических свойств[10].

В настоящее время активно происходит исследование свойств наноразмерных кристаллов сульфоселенида кадмия в ТГц диапазоне ЭМ длин волн. В работе Lucas T. Kunneman и соавторов [11] исследована мобильность и распределение электронов на нано-стержнях CdS, выращенных на квантовых точках CdSe. Отмечен фазовый сдвиг ТГц импульса прошедшего через фотовозбужденный образец, так же как и поглощение в нем, вызванное носителями заряда. Фазовый сдвиг ТГц импульса, проходящего фотовозбужденные образцы с квантовыми точками CdSe, демонстрировался и ранее в работе [12], при использовании систем оптической накачки–терагерцового сканирования. Однако в данных работах квантовые точки находились в жидкости, что делает неудобным их использование в устройствах модуляции ТГц излучения.

Объекты исследования – системы импульсной ТГц спектроскопии с разрешением во времени и тонкоплёночные структуры полупроводниковых кристаллов CdS/CdSe, нанесенные на сапфировые подложки методом трафаретной печати.

Предметом исследования в данной работе являются изменение спектральной структуры импульсного ТГц излучения для возможности передачи информации и управление оптическими свойствами ТГц излучения с помощью тонких плёнок полупроводниковых кристаллов CdS/CdSe.

Таким образом, цель работы – разработка беспроводных систем передачи информации с использованием широкополосного терагерцового излучения и разработка методов управления его спектром. При выполнении диссертационной работы решались следующие задачи:

1. Разработка метода формирования широкополосного ТГц

квазидискретного суперконтинуума для разделения на спектральные каналы.

1. Экспериментальная апробация метода формирования широкополосного ТГц квазидискретного суперконтинуума.

2. Экспериментально продемонстрировать беспроводную передачу информации квазидискретным ТГц суперконтинуумом.

3. Экспериментально исследовать изменение характеристик импульса ТГц излучения при прохождении материала сульфоселенида кадмия CdS_xSe_(1-x), находящегося под воздействием электрического напряжения и оптического излучения.

Методы исследования:

Численное моделирование в рамках поставленных задач работы и
обработка экспериментальных данных производилось с помощью

программного комплекса NI LabVIEW.

В экспериментальной части работы использовались импульсные ТГц спектрометры, собранные на основе иттербиевых и титан-сапфировых фемтосекундных лазеров, генераторы ТГц излучения на основе Mg:LiNbO₃, InAs, фотопроводящих антенн в качестве источников и приемников, электрооптических ТГц детекторов.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Предложен метод формирования широкополосного ТГц квазидискретного суперконтинуума с помощью двух фемтосекундных световых импульсов, воздействующих на генератор ТГц излучения, причем ширина спектра отдельных квазидискретных каналов и их количество зависят от временной задержки между импульсами.

2. Экспериментально апробирован метод формирования широкополосного ТГц квазидискретного суперконтинуума с помощью генераторов, основанных на оптическом выпрямлении фемтосекундного излучения в нелинейных квадратичных средах и с использованием ТГц генерации поверхностью полупроводника, причем в последнем случае получен суперконтинуум, состоящий из 31 отдельных каналов с шириной спектра отдельного канала 25 ГГц, что может обеспечить в сумме скорость передачи информации до 3,1 Тбит/с.

3. Экспериментально продемонстрирована передача 31 бита информации, закодированной в одном квазидискретном ТГц суперконтинууме, на расстояние 2 метра с последующей обработкой сигнала.

4. Экспериментально показано, что при прохождении слоя материала из микрогранул CdS_0,65Se_0,35 толщиной 20 мкм, при совместном воздействии актиничного излучения интенсивностью 10 мкВт/см² и приложенного электрического поля напряжением 300 В терагерцовый импульс испытывает фазовую задержку 0,5 рад (сдвиг 100 фс во временной области), которая зависит от фототока в слое

CdS_0,65Se_0,35 линейно.

Научная новизна работы:

5. Предложен и экспериментально апробирован метод формирования широкополосного ТГц квазидискретного суперконтинуума с помощью двух фемтосекундных световых импульсов, воздействующих на генератор ТГц излучения.

6. Предложен способ сверхбыстрой беспроводной передачи информации квазидискретным ТГц суперконтинуумом, сформированным на типичном ТГц спектрометре с разрешением во времени. Экспериментально продемонстрирована передача 31 бита информации, закодированной в одном квазидискретном ТГц суперконтинууме, на расстояние 2 метра с последующей обработкой сигнала с теоретическим пределом суммарной скорости передачи информации по 31 каналу 3,1 Тбит/с в последовательности из двух ТГц импульсов.

7. Экспериментально показано, что приложение электрического напряжения к образцу материала из микрогранул CdS_0,65Se_0,35 толщиной 20 мкм позволило достигнуть задержки ТГц импульса на 100 фс, что сопоставимо мировым результатам управления ТГц излучения с помощью сульфоселенида кадмия при значительном уменьшении толщины слоя образца и использовании простой технологии трафаретной печати для изготовления образца.

Достоверность результатов подтверждена экспериментально

многократными независимыми измерениями на импульсных ТГц

спектрометрах различной конструкции.

Практическая ценность результатов работы

8. Предложенные способ формирования каналов в ТГц суперконтинууме и способ сверхбыстрой беспроводной передачи информации парой ТГц импульсов, образующих квазидискретный суперконтинуум могут быть использованы в разрабатываемых системах передачи информации широкополосным ТГц излучением.

9. Показана возможность создания эффективного и компактного фазового модулятора на основе сульфоселенида кадмия.

Практическая реализация результатов работы

Результаты работы использовались при выполнении проектов в рамках государственного контракта №16.513.11.3070 Министерства образования и науки РФ от 19 апреля 2011 г. и государственного задания № 3.1675.2014/K Министерства образования и науки РФ от 18.07.2014 г.

Апробация работы

Результаты диссертационной работы апробировались на 5-х международных конференциях:

10. VIII Международная конференция молодых ученых и специалистов «Оптика — 2013» 14–18.10.2013, Санкт-Петербург, РФ.

11. Asia Communications and Photonics Conference ACP 2014 - 2014, 11– 14.11.14, Шанхай, КНР.

12. EMN Optoelectronics Meeting (Energy, Material, Nanotechnology), 19– 29.04.2015, Пекин, КНР.

13. The 8th International Photonics and OptoElectronics Meetings (POEM 2015), 15–25.06.2015, Ухань, КНР.

14. 40th International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves, 20–29.08.2015, Гонконг, КНР.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 13 научных работ, в том числе 10 в изданиях списка ВАК и международных баз цитирования Scopus и Web of Science, а также получено 2 свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Личный вклад

Научным руководителем была сформулирована цель и задачи исследования. Диссертант принимал участие в постановке и решении задач, обработке, обсуждении и отборе полученных результатов. Все результаты численного моделирования и экспериментов, представленные в работе, а также их анализ, выполнены лично диссертантом.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем диссертации – 104 страницы, включая библиографию из 40 наименований. Работа содержит 52 рисунка, размещенных внутри глав и приложений.

Формирование широкополосного ТГц квазидискретного суперконтинуума при генерации излучения с помощью эффекта Дембера и детектировании фотопроводящей антенной

Фотопроводящая антенна состоит из полупроводниковой подложки, с нанесенными на нее металлическими токопроводящими контактами с одной стороны и кремниевой линзы с другой. Фемтосекундное излучение пробного пучка фокусируется линзой L4 поверхность полупроводника между двух токопроводящих контактов, поглощается полупроводником с образованием фотоэлектронов. ТГц излучение фокусируется кремниевой линзой фотопроводящей антенны в область подложки с нанесенными контактами. ТГц импульс более длительный по сравнению с пробным фемтосекундным импульсом, поэтому его действие на выбитые в полупроводниковой подложке фотоэлектроны можно рассматривать как действие постоянного электрического поля, которое вызывает их направленное движение между токопроводящими контактами. Ток пропорционален величине напряженности ТГц импульса, таким образом, измеряя ток фотопроводящей антенны в различном положении оптической линии задержки DL2, можно зарегистрировать временную форму ТГц импульса (см. рис. 1.6 а). Для увеличения соотношения «сигнал/шум» использовался метод синхронного усиления: излучение накачки модулировалось оптико-механическим прерывателем Ch и синхронный усилитель LA усиливал узкую полосу сигнала на частоте модуляции. Далее усиленный измеряемый ток дискретизировался и квантовался аналого-цифровым преобразователем ADC и записывался в память компьютера PC. Путем преобразования Фурье над временной формой ТГц сигнала можно перейти к спектральной плотности мощности (см. рис. 1.6 б). Характеристики экспериментальной установки представлены в таблице.

В случае формирования с помощью интерферометра Майкельсона последовательности двух импульсов временное представление выглядит как на рисунке 1.7.

Последовательность двух импульсов, формирующих квазидискретный ТГц суперконтинуум (а), и их спектральная плотность мощности (б). Рисунок 1.8. Спектральная плотность мощности квазидискретного суперконтинуума полученного с помощью фотоэффекта Дембера в зависимости от задержки между двумя ТГц импульсами и частотой колебаний. 1.3. Формирование широкополосного ТГц квазидискретного суперконтинуума оптическим выпрямлением фемтосекундного излучения с наклонным фронтом В качестве источника фемтосекундного излучения использовалась титан-сапфировая лазерная система с регенеративным усилителем Regulus 35F1K (ООО «Авеста-Проект», Россия), создающая лазерные импульсы с центральной длиной волны 829 нм, длительностью менее 35 фс, энергией 2 мДж, с частотой повторения 1 кГц. Излучение направлялось зеркалами M1 и M2 в оптическую схему установки. Светоделитель BS1 50/50 разделял луч на пробный, используемый в дальнейшем для регистрации ТГц излучения, и луч накачки, создающий ТГц излучение. Устройство формирования квазидискретного ТГц суперконтинуума представляло собой интерферометр Майкельсона, состоящий из светоделителя BS2, зеркала M3 и зеркала M4, установленного на моторизированном линейном трансляторе DL1. Регулировкой длины одного из плеч с помощью моторизированного транслятора DL1 добивались необходимой задержки между фемтосекундными импульсами, используемых для создания ТГц импульсов (см. рис. 1.9). Рисунок 1.9. Оптическая схема формирования и регистрации квазидискретного ТГц суперконтинуума. Излучение накачки зеркалами M6 и M7 направлялось генератор терагерцового излучения TERA-AX (ООО «Авеста-Проект», Россия) [14], работающий по методу оптического выпрямления фемтосекундных импульсов в кристалле MgO:LiNbO3 с использованием наклонного волнового фронта для обеспечения фазового синхронизма [32], [33]. На выходе генератора располагался тефлоновый фильтр для отсечения излучения накачки. ТГц излучение проходило систему параболических зеркал, зеркала и параболическим зеркалом направлялось на электрооптический кристалл ZnTe , где пересекалось с лучом пробного излучения. До прихода к кристаллу ZnTe пробный луч прошел систему зеркал , линию оптической задержки, полуволновую пластинку и призму Глана поворачивающих поляризацию для большей эффективности детектирования ТГц волны и фокусирующую линзу. В итоге оптические пути и пробного пучка, и пучка накачки от светоделителя BS1 до кристалла ZnTe были равны.

В качестве системы детектирования использовалась распространенная техника электрооптического стробирования. Терагерцовое поле наводило в 0,5 мм электрооптическом кристалле ZnTe двулучепреломление для оптического излучения пробного пучка. Поляризация пробного пучка изменялась линейно пропорционально напряженности терагерцового поля, что регистрировалось с помощью системы из четвертьволновой фазовой пластинки, призмы Волластона и балансного детектора с двумя фотоприемниками. Сигнал наведенного двулучепреломления проходил через синхронный усилитель и оцифровывался для записи и дальнейшей обработки [34]. Характеристики TERA-AX приведены в таблице 2. Использование такой системы позволило эффективно генерировать мощные терагерцовые импульсы с широким спектром (см. рис. 1.10).

Формирование широкополосного ТГц квазидискретного суперконтинуума оптическим выпрямлением фемтосекундного излучения с наклонным фронтом

В дальнейшем оптический путь терагерцового и пробного лучей был удлинен на 60 см для регистрации сигнала на выходе канала передачи информации. Сигналы передавались в обычной воздушной атмосфере и сильно ослаблялись из-за высокого поглощения присутствующих паров воды, таким образом, канал с меньшими потерями может быть значительно большей длины. Сигналы, измеренные на входе и выходе из канала передачи информации, приведены на рис. 2.10. Видно полное совпадение амплитуды сигналов при учете 20% погрешности, вносимой кодирующим устройством. Рисунок 2.10. Спектры кодированного сигнала на входе (черный) и выходе (красный) канала передачи информации.

Беспроводная передача двухбитного кода в квазидискретном ТГц суперконтинууме была продемонстрирована с использованием ТГц генератора, основанного на фотоэффекте Дембера, и фотопроводящей антенны в качестве детектора. Излучение фемтосекундного титан сапфирового лазера TiF-15 (ООО «Авеста», РФ) разделялось лучеделителем BS1 на два луча: пробный, проходящий систему зеркал и фокусирующийся линзой на фотопроводящую антенну A (GmbH Batop, Германия) и луч накачки, использующийся для создания ТГц излучения. Луч накачки проходил интерферометр Майкельсона, формирующий луч состоящий из двух фемтосекундных импульсов, разделенных во времени. Интерферометр состоял из лучеделителя, зеркала и зеркала на моторизированном линейном позиционере, который управлял положением второго фемтосекундного импульса, относительно первого и, таким образом, контролировал количество компонент в квазидискретном ТГц суперконтинууме. Далее луч с последовательностью двух фемтосекундных импульсов проходил линию оптической задержки и фокусировался линзой на ТГц генератор – кристалл InAs, помещенный в постоянное магнитное поле [31]. Создаваемое ТГц излучение состояло из последовательности двух импульсов, имеющих такую же временную задержку между собой как и два фемтосекундных импульса. Фильтр F из фторопласта и тефлона использовался для поглощения остаточного излучения накачки. В эксперименте расстояние от генератора ТГц излучения до детектора изменялось от 40 см до 240 см, что реализует беспроводную передачу информации в открытом канале воздушного пространства при н.у. (tкомн=21C, влажность 40 %). Сигнал регистрировался во временной области сканированием оптической линии задержки и одновременным измерением тока фотопроводящей антенны с помощью техники синхронного усиления на частоте оптико-механического модулятора Ch. Аналоговый сигнал оцифровывался АЦП ADC и обрабатывался на компьютере PC. Рисунок 2.11. Оптическая схема беспроводной передачи информации квазидискретным ТГц суперконтинуумом на расстояние 2 м.

Для реализации кодирования информации использовалась 1 мм пластинка высокоомного кремния, выступающего в роли интерферометра Фабри Перо и модулирующего амплитуду отдельных компонент квазидискретного суперконтинуума. Конечно для работы реальной системы передачи информации такое статическое кодирование не достаточно, однако позволяет продемонстрировать принцип передачи информации в квазидискретном ТГц суперконтинууме. Экспериментально определено, что спектральные компоненты интерферометра Фабри-Перо, образованного кремниевой пластиной толщиной 1 мм, имеют в два раза меньший период, чем квазидискретный суперконтинуум, сформированный двумя ТГц импульсами с задержкой 43,2 пс между ними. Таким образом, периодический 31-битный сигнал с кодом «1010…10101» формируется после прохождения модулятора из высокоомного кремния (Рис. 2.14).

Результаты эксперимента по передаче информации, закодированной в квазидискретном ТГц суперконтинууме

В работе использовались поликристаллические образцы CdS0,65Se0,35, описанные в статьях [38]–[40]. Образцы представляют собой слой нанокристаллов сульфоселенида кадмия (толщина слоя составляет порядка 10–20 мкм), нанесенные на сапфировую подложку прямоугольной формы методом трафаретной печати (см. приложение 2). По краям образца нанесены электрические контакты, к которым прикладывалось постоянное электрическое поле.

Исследования образцов сульфоселенида кадмия CdS0,65Se0,35 проводились на терагерцовом спектрометре с разрешением во времени (THz TDS) [13]. Принципиальная схема терагерцового спектрометра показана на рис. 3.1. Лазерный пучок фемтосекундного (фс) лазера с помощью светоделителя BS разделяется на два пучка: пучок накачки и зондирующий (пробный) пучок. Более мощный пучок накачки используется для генерации терагерцового импульса накристалле InAs, помещенного в поле мощного (2,4Тл) магнита M, а зондирующий пучок – для детектирования в кристалле CdTe. Терагерцовое излучение, испускаемое кристаллом генератора, имеет широкую диаграмму направленности, поэтому для его фокусировкиприменялось параболическое зеркало PM1 с большой числовой апертурой. Для эффективного детектирования терагерцового пучка его также требовалось сконцентрировать в малой области пространства (с размерами порядка длины волны), поэтому аналогичное зеркало PM2 использовалось в плече детектора. ТГц излучение фокусировалось на исследуемые образцы линзами L1, L2 из полиметилпентена (TPX), помещенными между параболическими зеркалами.

Принципиальная схема терагерцового спектрометра. FL-1 — фемтосекундный Yb:KYW лазер, M1, M2, M3 — зеркала, BS — делитель пучка, USMC –линия задержки, MC1000A — модулятор, InAs — кристалл InAs, M – магнит, G — призма Глана, PM1, PM2 — параболические зеркала, P — поляризатор, F — фильтр, L1, L2 — линзы, Ob — объект, CdTe — ЭО кристалл, W — призма Волластона, BD — балансный детектор, OPA —синхронный усилитель, PC — ПК. В данной схеме ТГц спектрометра детектировалось терагерцовое излучение, прошедшее сквозь исследуемый образец. Так же мной был проведен эксперимент, в котором детектировалось терагерцовое излучение, отраженное от образца. Для проведения этого эксперимента, использовался терагерцовый рефлектометрический спектрометр с разрешением во времени, отличающийся от вышеописанной схемы только расположением ТГц линз, исследуемого образца и схемы детектирования (рис.3.2).

Для проведения эксперимента была создана осветительная система. Источником света были выбраны коммерчески доступные полупроводниковые диоды фирмы BetLuxElectronics. Для увеличения освещенности образцов излучение светодиодов коллимировалось параболическим зеркалом. Интенсивность оптического излучения составляла 10 мкВт/см2. В эксперименте образец CdS0,65Se0,35 помещался в сфокусированный линзой L1 терагерцовый пучок и освещался полупроводниковым светодиодом. На электрические контакты образца подавалось напряжение 300 В от мощного источника питания. В результате в образце возникал фототок, регистрируемый амперметром (Рис. 3.3). Фотография эксперимента представлена в Приложение Г. Рисунок 3.3. Принципиальная схема эксперимента на пропускание. На рисунках 3.4 представлены спектры пропускания образца «1B» (в названии образца цифра обозначает номер образца, буква – тип обработки подложки, наносимый материал был одной партии производства) при прохождении тока сонаправлено поляризации терагерцового излучения и перпендикулярно направленно поляризации терагерцового излучения, соответственно. На обоих рисунках представлены графики для двух а случаев: в образце присутствует фототок (образец освещен и к нему приложено напряжение) и фототока нет. б Рисунок 3.4. Спектры пропускания образца «1B» при прохождении тока (а) сонаправлено, (б) перпендикулярно поляризации ТГц излучения.

На обоих рисунках видно, что заметного изменения пропускания при наличии фототока на поверхности образца, не наблюдается – амплитудной модуляции ТГц излучения не возникает. В следующей части эксперимента я получил временные формы терагерцового импульса в зависимости от расположения исследуемых образцов и от наличия на их поверхности фототока. На рисунках 3.5 продемонстрированы возникающие сдвиги волнового фронта ТГц импульса при использовании образцов «1В» и «2В», соответственно.

. Смещение волнового фронта ТГц импульса при освещении образца «1В» (в увеличении). б Рисунок 3.6. (а) Смещение волнового фронта ТГц импульса при освещении образца «2В» (б) то же увеличено. При использовании образца «1В», для вертикального и горизонтального расположения образца, наблюдался сдвиг волнового фронта ТГц импульса на 100 фс. При использовании образца «2В» наблюдался сдвиг волнового фронта ТГц импульса на 50 фс. Так же, при использовании образцов «1В» и «2В» наблюдался фазовый сдвиг, продемонстрированный на рисунках 3.7. Для образца «1В» максимальная величина фазового сдвига составила =0,50 рад, а для образца «2В» это величина была равна =0,35 рад.

Рисунок 3.7. Сдвиг фазы ТГц излучения, возникающий при освещении образца «1В», расположенного горизонтально (в увеличении). Рисунок 3.8. Сдвиг фазы ТГц излучения, возникающий при освещении образца «2В» (в увеличении). Раздел 3.2.3. Описание и результаты экспериментального исследования отражения образцами ТГц излучения.

В данном разделе рассматривается эксперимент, подобный представленному в разделе 3.1, но здесь детектировалось излучение, отраженное от двух поверхностей образца: ТГц излучение, отраженное от передней поверхности материала CdS0,65Se0,35 (излучение не попадает вглубь слоя сульфоселенида кадмия) и ТГц излучение, отраженное от подложки (излучение проходит через слой сульфоселенида кадмия дважды). Для проведения эксперимента использовался терагерцовый рефлектометрический спектрометр с разрешением во времени (рис. 3.2). Принципиальная схема эксперимента представлена на рисунке 3.15. Фотография эксперимента представлена в Приложение А.

Экспериментальные исследования фазового модулятора на основе CdS1-xSex

На рисунке 3.11 представлен волновой фронт терагерцового импульса, отраженного от образца «2В». В области от 6,5 фс до 8 фс происходит отражение от передней поверхности образца. На рисунке 3.11 видно, что при росте величины фототока, возникающего в исследуемом образце, не наблюдается последовательного смещения фронта ТГц импульса, то есть не происходит значительного термического расширения образца из-за нагрева излучением осветительной системы, что вызывало бы изменение положения первой поверхности образца. В области от 16 фс до 19 фс происходит отражение от подложки исследуемого образца. Из рисунка 3.12 видно, что фронт ТГц импульса, прошедшего свозь образец дважды, смещается при изменении фототока. Если построить зависимость сдвига фронта ТГц импульса во времени от изменения фототока в образце 3.13, можно продемонстрировать, что сдвиг волнового фронта терагерцового импульса линейно зависит от величины фототока, протекающего в образце.

1. В работе предложен и экспериментально апробирован метод формирования широкополосного ТГц квазидискретного суперконтинуума с помощью двух фемтосекундных световых импульсов, воздействующих на генератор ТГц излучения.

2. Предложен способ сверхбыстрой беспроводной передачи информации квазидискретным ТГц суперконтинуумом, сформированным на типичном ТГц спектрометре с разрешением во времени. Экспериментально продемонстрирована передача 31 бита информации, закодированной в одном квазидискретном ТГц суперконтинууме, на расстояние 2 метра с последующей обработкой сигнала с теоретическим пределом суммарной скорости передачи информации по 31 каналу 3,1 Тбит/с в последовательности из двух ТГц импульсов. 3. Экспериментально показано, что приложение электрического напряжения к образцу материала из микрогранул CdS0,65Se0,35 толщиной 20 мкм позволило достигнуть задержки ТГц импульса на 100 фс, что сопоставимо мировым результатам управления ТГц излучения с помощью сульфоселенида кадмия при значительном уменьшении толщины слоя образца и использовании простой технологии трафаретной печати для изготовления образца.

Работа была выполнена в рамках государственного контракта №16.513.11.3070 Министерства образования и науки РФ от 19 апреля 2011 г. и государственного задания № 3.1675.2014/K Министерства образования и науки РФ от 18.07.2014 г. БЛАГОДАРНОСТИ

Автор признателен профессору В.Г. Беспалову за помощь, доброжелательное отношение и мудрое направление в работе; профессору С.А. Козлову за критику, советы и поддержку; профессору Н.Н. Розанову за доброжелательное отношение и поддержку при первых шагах в научной деятельности; О.А. Смолянской за руководство самом начале работы в лаборатории фемтосекундной оптики и фемтотехнологий; В.Н. Крылову за обучение основам работы в экспериментальной физике, А.А. Городецкому за обучение работе в экспериментальной физике и обсуждения современного состояния исследований в физике ТГц излучения, С.Э. Путилину за обсуждение работы и обучение; профессору Д.И. Стаселько за многочисленные беседы по научным и жизненным темам, доброе отношение и поддержку; В.Н. Трухину за дискуссии по проведению экспериментов; И.А. Рыжикову и И.А. Богинской за предоставленные образцы сульфоселенида кадмия; А.Н. Цыпкину, А.А. Дроздову, Е.М. Буяновской, В.А. Семеновой, Н.С. Балбекину, С.В. Смирнову, М.В. Мельнику, Е.А. Макарову, И.А. Шевкунову, В.В. Лесничему, М.С. Куля, Н.В. Петрову, М.В. Дука, за дружескую поддержку в научной деятельности, полезные дискуссии и беседы; М.О. Осиповой, А.В. Кузьминой, С.А. Корфуненко, И.В. Косарим, Лю Синьжуй за плодотворное и приятное сотрудничество; Сун Минчжао, Чжан Яньюй, Сунь Яли, Лиан Чин, Е.А. Кирилловой, Д.А. Евинзон, Л.Н. Дворецкой за дружескую поддержку; учителю и скульптору М.В. Трофимовой за поддержку; А.А. Замигулову, профессиональному остеопату, за оказанную помощь в улучшении здоровья.

Автор особенно благодарен своим родителям В.А. Грачеву, Е.А. Грачевой и брату Д.В. Грачеву за понимание, поддержку, и, в частности, за предоставленную возможность получить высшее образование в интересующей области.

Перколяция (от лат. perclre, просачиваться материалы, электричества через смесь проводящих и непроводящих частиц и другие подобные процессы. Суперконтинуум – когерентное электромагнитное излучение, ширина полосы спектра которого превышает центральную частоту излучения., протекать) – явление протекания жидкостей через пористые