ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ И АЛЬТЕРНАТИВНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
BASIC PROBLEMS OF ENERGY AND RENEWABLE ENERGY
Статья поступила в редакцию 20.08.13. Ред. рег. № 1726 The article has entered in publishing office 20.08.13 . Ed. reg. No. 1726
УДК 621.373.424
ТЕРАГЕРЦОВЫЙ LiNbO3 ВОЛНОВОД А. С. Никогосян
Ереванский Государственный университет Республика Армения, 0025, Ереван, ул. Алека Манукяна, д. 1 Тел.: (37410) 53-74-79, факс: (37410) 55-46-41, e-mail: nika@ysu.am.
Заключение совета рецензентов: 25.08.13 Заключение совета экспертов: 30.08.13 Принято к публикации: 04.09.13
Выполнено численное моделирование для визуализации терагерцовой волны с частотой 0,27 ТГц в прямоугольном LiNbO3 волноводе с сечением 0,27x1 мм2. При численном моделировании применен метод конечных элементов. Показано, что при распространении волны в кристаллической пластине длиной 4 мм модовая структура волны изменяется и симметрична относительно центра кристалла. Полученные результаты могут быть использованы для создания как эффективных активных широкополосных ТГц антенн, так и активных волноводных систем. Результаты сравниваются с данными, полученными для прямоугольного LiNbO3 волновода с клиновидным выходным торцом.
Ключевые слова: оптическое выпрямление, фемтосекундный лазер, терагерцовое излучениe, ТГц прямоугольный LiNbO3 волновод, метод конечных элементов
TERAHERTZ LiNbO3 WAVEGUIDE A.S. Nikoghosyan
Yerevan State University 1 A.Manukyan St., Yerevan, 0025, Armenia Tel.: (37410) 53-74-79, fax: (37410) 55-46-41, e-mail: nika@ysu.am.
Referred: 25.08.13 Expertise: 30.08.13 Accepted: 04.09.13
A simulation study for visualizing the propagation of the wave with frequency 0.27 THz in LiNbO3 plate waveguide aimed to develop an effective active THz waveguide system and antenna has been performed. The finite-element method is used in the computational technique. It is shown that when the THz radiation propagates 4 mm in a rectangular crystal plate with frequency of 0.27 THz its mode structure is changed. The results are compared with those obtained for LiNbO3 rectangular waveguide with a tapered output end.
Keywords: optical rectification, femtosecond laser, terahertz radiation, THz rectangular LiNbO3 waveguide, finite-element method.
Введение
В последние десятилетия развитие экспериментальной радиофизики в значительной мере связано с освоением терагерцовой области электромагнитного спектра диапазона частот от 100 ГГц до 10 ТГц (1 ТГц = 1012 Гц). В связи с прогрессом нелинейной оптики, в частности, нелинейной конверсии частоты фемтосекундных оптических лазерных импульсов в терагерцовый диапазон и созданием ТГц излучателей и детекторов, значительно возрос интерес к эффек-
тивным ТГц волноведущим устройствам. Волноводами являются устройства любой формы, ограничивающие и направляющие электромагнитные волны. Отсутствие широкополосных, с низкими потерями и малой дисперсией ТГц волноводов является основным препятствием, задерживающим разработку и создание устройств для применения ТГц излучения в различных областях науки. ТГц волноводы являются ключевыми компонентами многих электронных схем, функционирующих в области от 0,1 до 10 ТГц.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 09 (131) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
Типичные формы волноводов миллиметрового диапазона: полые металлические трубки - прямоугольные и круглые, копланарная и микрополоско-вая линии, коаксиальный кабель и полосковая линия, а оптического - оптические волокна.
Разработка волноводов ТГц диапазона затруднена как эксплуатационными требованиями, малой потерей и малой дисперсией при распространении ТГц импульса, так и отсутствием подходящих материалов с достаточной полосой прозрачности. ТГц волноводы необходимы для применения их: в ТГц бесконтактном дистанционном зондировании [1]; в ТГц спектроскопии для определения показателя преломления и поглощения материалов в уникально широкой полосе частот, а также детектировании токсичных веществ (например, незначительного количества ядовитого газа гексоген, находящегося в волноводе) [2]; в визуализации скрытых изображений - злокачественных тканей в медицине [3]; в безопасности -для обнаружения оружия, взрывчаток и наркотиков [4]; в передаче излучения от источника к антенне или к приемнику; в разработке метода масштабного электродинамического моделирования в локации [5]; в обследовании дефектов в обшивке многоразовых транспортных космических кораблей [6]; для разработки сканируемого ближнеполевого ТГц микроскопа с разрешением значительно меньшей длины волны [7] и др.
В последние годы были разработаны и продемонстрированы различные ТГц волноведущие системы на основе традиционных металлическо-цилиндрических волноводов [2, 8], диэлектрических волокон [9], пластической ленты [10], волокон из фотонных кристаллов [11, 12] и др. При распространении ТГц волны эти волноводы демонстрируют как сильное ослабление, так и дисперсию групповой скорости, которые накладывают ограничение на длину волновода. Для уменьшения дисперсии было предложено использовать параллельные металлические пластинки [13, 14]. Однако из-за недопустимо высокого ослабления и большой площади поперечного сечения эти волноводы не могут быть использованы в различных применениях, включая диагностику в медицине. В статье [15] было предложено в качестве эндоскопа использовать волновод из нержавеющей стальной проволоки диаметром 0,9 мм и длиной 15 см. Существование электромагнитных волн, распространяющихся вдоль длинного цилиндрического проводника, называемые волнами поверхностных плазмонов, было предсказано еще в 1899 г. А. Зоммерфельдом. Но эффективность связи ТГц излучения с волноводом из проволоки в статье [15] была очень низкой. Только 0,1% мощности линейно поляризованного ТГц излучения, генерируемого фотопроводящей ваЛБ антенной, связывалась с волноводом.
Перспективное и широкое применение широкополосных ТГц импульсов в спектроскопии и в системах визуализации скрытого изображения налагает дополнительное требование к волноводам. Они
должны иметь слабую дисперсию при многомодовом режиме. Дисперсия волновода может вызвать чрезмерное искажение распространяющегося ТГц импульса, следовательно, и регистрируемого сигнала. Так как волновод линейная система, ТГц импульс можно представить линейной суммой ее квазимонохроматических спектральных компонент, определяемых посредством преобразования Фурье. Благодаря этому обстоятельству, исследование и анализ распространения ТГц импульса в волноводе можно провести, изучая распространение спектральных компонент импульса.
В статье выполнено численное моделирование с применением метода конечных элементов для исследования распространения волны с частотой 0,27 ТГц в Ы№03 прямоугольном волноводе. Частота 0,27 ТГц -наиболее интенсивная линия в спектре ТГц излучения. Результаты сравниваются с данными, полученными для прямоугольного Ы№03 волновода с клиновидным выходным торцом [16]. В обоих случаях поперечное сечение кристаллов было 0,27*1 мм2. Толщина пластины, равная 0,27 мм, однозначно определяет условия фазового синхронизма, а высота - затухание. Размер и форма поперечного сечения кристалла определяют также влияние дифракции на распространение ТГц волны в волноводе. Дифракция ухудшает качество ТГц излучения на выходной грани кристалла из-за влияния пространственного чир-па. Для уменьшения вредного воздействия дифракции, размер пятна источника на входной поверхности кристалла должен быть примерно равен пиковой длине ТГц волны, генерируемой внутри кристалла. Авторы работы [17] показали, что для уменьшения ослабления волны необходимо диаметр волновода выбирать значительно меньше длины волны распространяющейся моды. Тогда только малая часть волны распространяется внутри волновода с высоким поглощением, в то время как большая часть находится вне волновода - в свободном пространстве. В результате, эффективный коэффициент поглощения может быть намного меньше, чем коэффициент поглощения материала волновода.
Моделирование распространения волны с частотой 0,27 ТГц в ЫКЬО3 пластине
Для моделирования распространения ТГц волны в прямоугольной Ы№03 пластине, помещенной в свободное пространство, использована программа "С0М80Ь МиШрИуБЮз". Вычислительный аппарат, основанный на методе конечных элементов (МКЭ), применялся для имитации и визуализации распространения ТГц волны. Так как диэлектрическая пластина является линией и поверхностной волны (например, как однопроводная линия Зоммерфельда, отражательная линия, и так далее), то она имеет наименьшее ослабление и наилучшую частотную зависимость.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 09 (131) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
Анализ любой задачи методом конечных элементов включает в себя, по существу, четыре действия: деление области решения на конечное число элементов, вывод основного уравнения для типичного элемента, компоновка всех элементов в области решения и решение системы полученных уравнений.
В нашем случае границы волновода выделяют пространственный объем симуляции. Область симуляции затем делится на четырехгранные ячейки. Система элементов, вместе с заданными физическими параметрами и граничными условиями, образует систему связанных дифференциальных уравнений с частными производными. Для корректного решения системы уравнений, которое описывает распределение поля ТГц волны, наибольший размер ячейки не должен быть больше, чем одна пятая длины волны. Следовательно, для волны с частотой 0,27 ТГц, размер ячейки следует брать не больше 220 мкм. Для решения задачи с большей точностью, размер ячейки был выбран меньше - равным 50 мкм. В программу были введены следующие величины: реальная и мнимая части диэлектрической проницаемости, мощность возбуждаемой необыкновенной ТГц волны. Значения величин реальной и мнимой диэлектрических проницаемостей (ег = 27,96 и е'(270 ГГц) = = 0,102 соответственно), вычислялись из формулы, приведенной в статье [18]. Источник ТГц волны располагался на входной поверхности Ы№О3 пластины. Было пр
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.