Методы создания и экспериментального исследования дифракционных оптических элементов ТГц диапазона тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.05, кандидат наук Володкин Борис Олегович

• Володкин Борис Олегович
• кандидат наук
• 2017

Оглавление диссертации кандидат наук Володкин Борис Олегович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДА ИЗГОТОВЛЕНИЯ КРЕМНИЕВЫХ БИНАРНЫХ ДИФРАКЦИОННЫХ ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ТЕРАГЕРЦОВОГО ДИАПАЗОНА

1.1 Обзор существующих процессов анизотропного травления кремния

1.2 Разработка метода изготовления кремниевых дифракционных оптических элементов

Выводы к первой Главе

ГЛАВА 2. СОЗДАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ СИЛОВЫХ БИНАРНЫХ

КРЕМНИЕВЫХ ДИФРАКЦИОННЫХ ЛИНЗ, ДЕЛИТЕЛЕЙ ПУЧКА

2.1 Исследование бинарных дифракционных линз

2.2 Исследование бинарных дифракционных делителей пучка 1:2

Выводы к второй Главе

ГЛАВА 3. ФОКУСИРОВКА ТГц ИЗЛУЧЕНИЯ В ЗАДАННЫЕ ДВУХ- И ТРЕХМЕРНЫЕ ОБЛАСТИ

3.1 Создание и исследование фокусатора гауссова пучка в квадрат

3.2 Фокусировка ТГц излучения в область в форме соосного отрезка

Выводы к третьей Главе

ГЛАВА 4. СОЗДАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ КРЕМНИЕВОЙ ДИФРАКЦИОННОЙ ОПТИКИ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ПОПЕРЕЧНО-МОДОВЫМ СОСТАВОМ МОЩНЫХ ТЕРАГЕРЦОВЫХ ПУЧКОВ

4.1 Создание и исследование элементов кремниевой бинарной оптики, формирующих терагерцовые лазерные пучки c заданным поперечно-модовым составом

4.2 Создание и доследование ДОЭ, формирующих терагерцовые пучки с топологическим зарядом

4.3 Генерация поверхностных плазмон-поляритонов с помощью закрученных

пучков

Выводы к четвертой Главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

ПРИЛОЖЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы создания и экспериментального исследования дифракционных оптических элементов ТГц диапазона»

ВВЕДЕНИЕ

Терагерцовая (ТГц) область электромагнитного спектра, лежащая в диапазоне от 0,3 до 20 ТГц (10 - 600 см-1, 1 мм - 15 мкм), в настоящее время представляет большой интерес для исследователей, работающих в различных разделах химии, физики, биологии, материаловедения и медицины [1]. Данный спектральный диапазон до относительно недавнего времени был слабо освоен в связи со сложностью создания как источников достаточно мощного терагерцового излучения, так и приёмников, способных зарегистрировать излучение в данной спектральной области [2].

Вместе с тем, этот диапазон обладает рядом специфических особенностей, делающих его весьма привлекательным для широкого круга фундаментальных и прикладных исследований [1-4]. Действительно, в этом диапазоне находится большое число сильных линий вращательных переходов молекул, а также линии колебательных и колебательно-вращательных переходов больших молекул, в том числе органических, что открывает возможности, как для их исследования, так и для селективного воздействия на них. Терагерцовые волны перспективны для диагностики и спектроскопии различных сред, включая развитие методов электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) [5] и ядерного магнитного резонанса (ЯМР) высокого разрешения [6]. Мощное терагерцевое излучение может быть использовано для создания плотной плазмы и управления её параметрами (управляемый термоядерный синтез, "точечные" плазменные источники рентгеновского излучения) [7]. Терагерцевое излучение обладает достаточно высокой проникающей способностью, поэтому его можно использовать для обнаружения и идентификации предметов, скрытых одеждой, багажными упаковками и даже бетонными стенами [8]. Вследствие малой энергии квантов терагерцевое излучение является сравнительно безопасным для живых организмов, и оно может быть применено для выявления патологий и инородных образований методами терагерцевой томографии [9].

Ультракороткие ТГц оптические импульсы в настоящее время перспективны для внутренней и внешней связи в интегральных схемах, для целей спектроскопии дальнего ИК диапазона с разрешением во времени и химического определения состава сложных соединений, для создания ТГц радаров, для целей оптической ТГц томографии с разрешением во времени (Tray imaging) [10]. ТГц томография и спектроскопия - в настоящее время особо востребованные области применения ТГц излучения, в виду неугасающего интереса к разработке простых устройств обнаружения взрывчатых и наркотических веществ, а так как большинство доступных материалов прозрачны в ТГц диапазоне, ТГц спектроскопия и томография с разрешением во времени могут стать оптимальным средством дистанционного зондирования.

Короткие когерентные импульсы терагерцового излучения позволяют исследовать быстропротекающие процессы. Круг возможных приложений, связанных c использованием терагерцового излучения, не исчерпывается указанными областями и постоянно расширяется [11-16]. Освоение терагерцового диапазона включает в себя создание источников и средств регистрации, a также разработку различных приложений. За последние пятнадцать лет вместе с развитием фемтосекундных твердотельных лазеров (в особенности лазеров на кристаллах сапфира, активированных ионами титана) и микроэлектроники в исследованиях терагерцовой области наметился значительный сдвиг. Появилось несколько новых способов генерации, управления его параметрами и детектирования ТГц излучения [17-25].

В настоящее время развиваются несколько направлений создания когерентных импульсных источников ТГц диапазона [26-35]. В начале 90-х годов было показано, что при освещении некоторых фотополупроводников фемтосекундными импульсами света поверхность образцов излучает когерентные сверхкороткие широкополосные импульсы в дальнем ИК диапазоне спектра [36-41]. Возможно получение ТГц излучения при фокусировке первой и второй гармоник излучения фемтосекундного лазера в воздух при нелинейно-оптическом детектировании (выпрямлении)

высокоинтенсивного фемтосекундного импульса [42]. ТГц излучение также может генерироваться в процессе коллективного оптического возбуждения электронов в гетероструктурах и квантовых ямах [43]. Эффективное ТГц импульсное излучение всего в два периода колебаний было получено при использовании биполярной фотопроводящей антенны [44].

На сегодняшний день наиболее мощными источниками монохроматического когерентного излучения в терагерцовом диапазоне спектра являются лазеры на свободных электронах (ЛСЭ) [45]. Лазеры на свободных электронах (ЛСЭ) - это приборы, преобразующие энергию

ультрарелятивистских электронов (т. е. электронов, энергия которых во много

1 ^

раз превышает их энергию покоя 0,511 МэВ = 0,8^10- Дж), в энергию электромагнитного излучения. Они позволяют получать монохроматическое излучение на любой длине волны в диапазоне от 0.1 нм до 1 мм, причем эта длина волны может относительно быстро перестраиваться на десятки процентов.

Можно выделить три основных типа генераторов излучения, использующих излучение релятивистских электронов. Прежде всего, это -синхротроны, излучение которых используется в прикладных целях в течение уже нескольких десятилетий. «Классический период» использования синхротронного излучения (СИ) описан в обзоре [46]. За прошедшее время применение синхротронного излучения позволило получить уникальные результаты в самых различных областях науки, что подтверждает многолетний опыт функционирования Центра синхротронного излучения в ИЯФ им. Г. И. Будкера. Источники синхротронного излучения генерируют широкополосное излучение при движении в магнитном поле. Однако интенсивность их излучения в терагерцовом диапазоне длин волн до недавних пор была относительно невелика. По этой причине исследований в терагерцовом диапазоне с их помощью не проводилось.

Ситуация в последние несколько лет существенно изменилась после предложения использовать для генерации излучения сверхкороткие

электронные сгустки высокой плотности. На этом принципе основан источник излучения, недавно запущенный в Джефферсоновской лаборатории (JLab THz), который генерирует излучение в широкополосное терагерцовое излучение со средней мощностью около 100 Вт [47]. Также существуют мощные источники такого типа в Брукхевенской национальной лаборатории (США) [48] и на источнике четвертого поколения в Дарсбери (Великобритания) [49].

Самым мощным источником терагерцового когерентного излучения является в настоящее время Новосибирский лазер на свободных электронах [45].

Еще одним источником длинноволнового излучения является источник Смита- Парселла [50], в котором электронный пучок генерирует излучение, пролетая вблизи поверхности металлической решетки.

Именно появление мощных источников излучения ТГц диапазона позволяет решать такие задачи как

-построение лидарных систем ТГц-диапазона [51];

-формирование и исследование непрерывного газового разряда в газах при атмосферном давлении [52];

-недеструктивная абляция биологических образцов [53]; -изготовление наночастиц и гидрозолей; -исследование акустооптического эффекта [54]; -формирование поверхностных плазмон-поляритонов [55] и др. Для детектирования ТГц излучения могут использоваться также несколько методов. Первым приемником терагерцового излучения стала фотопроводящая антенна [44], электрооптическое детектирование, впервые продемонстрированное 10 лет назад, также получило широкое распространение из-за широкой полосы пропускания и возможности параллельного формирования изображений. Описано применение неохлаждаемых микроболометров [56], пироэлектрических матриц, совместное использование микроболометра и фоточувствительной бумаги [57].

Бурное развитие техники ТГц диапазона, а именно появление новых способов регистрации, новых источников (в том числе мощных) когерентного излучения требует развития и совершенствования соответствующей элементной базы для управления характеристиками пучков терагерцового излучения. В [58] рассмотрены элементы классической оптики терагерцового диапазона (линзы, призмы, зеркала и др.). Однако, применение элементов классической оптики не позволяет в общем случае управлять амплитудно-фазовым распределением в сечении когерентных пучков.

Наиболее перспективным подходом к управлению амплитудно-фазовым распределением в сечении мощных когерентных пучков терагерцового диапазона является использование дифракционных оптических элементов (ДОЭ) в силу малых потерь на поглощение (связанных с малой толщиной ДОЭ) и широкими функциональными возможностями ДОЭ, продемонстрированными ранее в видимом и инфракрасном диапазонах такими исследователями как И.Н. Сисакян, В.А. Сойфер, М.А. Голуб, Frank Wyrowski, F.M. Dickey и др. [59] Применение ДОЭ позволяет создавать оптические приборы с уменьшенными массогабаритными характеристиками и широкими функциональными возможностями [59].

Известны работы по созданию отражающих и пропускающих (полимерных и кремниевых) ДОЭ для терагерцового диапазона, однако абсолютное большинство этих работ (E.D. Walsby [60], И. Г. Пальчикова [61*]) посвящено созданию линз и дифракционных решеток, тогда как эффективное применение мощного когерентного терагерцового излучения в прикладных и фундаментальных задачах требует создания ДОЭ с более широкими функциональными возможностями - управление поперечно-модовым составом пучка (в задачах телекоммуникаций и построении лидарных систем [51]), формирование пучков с топологическим зарядом (в задачах построения лидарных систем и возбуждения поверхностных плазмон-поляритонов [62-64]), фокусировка в заданные области пространства (в задачах сканирования и абляции образцов [53]) и др. Также известны работы по созданию полимерных

дифракционнных оптических элементов с помощью 3Э печати [65,66], однако, полученные с помощью 3Э печати структуры имеют низкое разрешение, около 30 мкм. К тому же, полимерные элементы, изготовленные с помощью 3Э печати, непригодны для управления мощными пучками лазерного излучения.

Представляется перспективным использование опыта управления поперечно-модовым составом пучка с помощью ДОЭ, накопленного при построении телекоммуникационных систем в видимом и ближнем ИК-диапазонах [59,67,68,69], при разработке телекоммуникационных систем ТГц диапазона. Этим обусловлена актуальность создания ДОЭ, предназначенных для формирования из освещающего гауссова пучка мощного терагерцового лазера мод лазерного излучения более высокого порядка.

Актуальной задачей является фокусировка терагерцового излучения с большой глубиной фокуса при сканировании или абляции поверхности образца со сложной топологией. Этим объясняется актуальность создания дифракционных оптических элементов, формирующих распределение интенсивности в виде соосного светового отрезка из освещающего пучка мощного терагерцового лазера.

Задача генерации поверхностных плазмон-поляритонов терагерцового диапазона на границе металл-диэлектрик может быть решена с помощью создания пучков с топологическим зарядом. Кроме того, мощные пучки терагерцового излучения с топологическим зарядом являются перспективным для задач дистанционного зондирования Земли - это вызвано свойствами самовосстановления и устойчивостью пучков с топологическим зарядом к распространению в дисперсионных средах [70], что было исследовано ранее в оптическом диапазоне [59].

Таким образом, создание элементов, позволяющих формировать заданное распределение интенсивности или заданное амплитудно-фазовое распределение из освещающего мощного когерентного пучка терагерцового диапазона позволит решить ряд важных прикладных и фундаментальных задач.

Большая мощность и специфика терагерцового диапазона определяют выбор материала подложки для элементов пропускающей терагерцовой оптики.

Наиболее подходящим рабочим материалом для изготовления ДОЭ является высокоомный кремний [71], что объясняется необходимостью управления мощными пучками лазерного излучения (высокоомный кремний имеет высокую радиационную стойкость) и малым поглощением материала в рабочей части спектра. Использование полимерных материалов, таких как полиметилпентен, для изготовления элементов, работающих с мощными пучками ТГц излучения, ограничено их низкой лучевой стойкостью [*61]. Высокоомный кремний HRFZ-Si обладает широкой полосой пропускания, высокой лучевой стойкостью и позволяет работать с пучками высоких энергий. Выбор материала подложки и требования к микрорельефу определяют выбор технологий для изготовления ДОЭ.

Метод анизотропного плазмохимического травления кремния позволяет получать микроструктуры с высоким аспектным соотношением и высоким пространственным разрешением [72]. Из анализа литературы можно сделать вывод, что в качестве технологии создания ДОЭ ТГц диапазона целесообразно выбрать Bosch процесс [73], так как он обеспечивает наиболее чистое дно поверхности канавок травления, позволяет без проблем получать в кремнии высокоаспектные структуры глубиной более 30 мкм [73] и с углом стенок, близким к 90 градусов [73].

Методы [74,75], ранее использованные для изготовления кремниевых ДОЭ терагерцового диапазона [60] требуют применения сложного криогенного оборудования для процесса криогенного анизотропного травления, а также использования дорогих фоторезистов. Использование фоторезистов затрудняет получение высокого разрешения по высоте травления вследствие деградации пленки фоторезиста и, как результат, невозможности измерения глубины протрава в процессе травления с помощью интерферометрии белого света, металлические маскирующие слои лишены этого недостатка и позволяют добиться разрешения по глубине травления до 200 нм.

Стоит отметить, однако, что создание с помощью метода анизотропного плазмохимического травления ступенчатого микрорельефа с числом уровней квантования более двух является достаточно технически сложной и недешевой процедурой. В общем случае уменьшение числа уровней квантования микрорельефа приводит к снижению энергетической эффективности и качества формируемого распределения ДОЭ [59]. Однако, в ряде случаев применение бинарных элементов позволяет решить задачу формирования заданного распределения с требуемым качеством [59]. Методы расчета бинарных дифракционных оптических элементов, применявшихся ранее в видимом и инфракрасном диапазонах, приведены в работах [68,69,76].

Для решения задачи создания силовой кремниевой терагерцовой оптики целесообразным, таким образом, является 1) разработка метода изготовления бинарных (двухуровневых) элементов, рассчитанных с помощью процедур оптимизации элементов бинарной оптики [59], ранее разработанных для создания бинарных дифракционных оптических элементов видимого и инфракрасного диапазонов (в тех случаях, когда методы расчета бинарных элементов позволяют получить приемлимое решение), на основе однократного травления поверхности кремниевой подложки; 2) разработка

нелитографических методов формирования многоуровневого микрорельефа, не требующих применения сложных технологических операций для формирования микрорельефа с числом уровней больше двух (например, лазерной абляции, ранее использованной для создания алмазной дифракционной оптики ИК-диапазона).

Данная работа посвящена разработке, созданию и исследованию кремниевых бинарных дифракционных оптических элементов для формирования заданных распределений интенсивности или амплитудно-фазовых распределений из освещающего пучка мощного терагерцового лазера (использовался Новосибирский лазер на свободных электронах - НОВОФЭЛ [45]) для решения актуальных задач применения терагерцового излучения.

Проблемой, связанной с использованием кремния в качестве материала подложки, являются френелевские потери, вызванные высокой оптической плотностью этого материала (показатель преломления кремния составляет п=3.42 [71]). Поэтому разработка методов создания элементов силовой кремниевой терагерцовой оптики требует проведения исследований в области формирования антиотражающего покрытия на поверхности оптического элемента, позволяющего минимизировать потери на френелевское отражение, и в то же время обладающего необходимой лучевой стойкостью.

Цель диссертационной работы:

Создание и исследование элементов пропускающей силовой оптики, предназначенных для фокусировки в заданные области и управления поперечно-модовым составом излучения мощного терагерцового лазера.

Для достижения поставленной в работе цели были поставлены следующие задачи:

1) Разработка методов изготовления элементов кремниевой силовой бинарной оптики терагерцового диапазона.

2) Создание и исследование дифракционных оптических элементов, предназначенных для фокусировки излучения терагерцового лазера в заданные области.

3) Создание и исследование дифракционных оптических элементов, предназначенных для формирования пучков мощного терагерцового излучения с заданным поперечно-модовым составом.

Научная новизна

1. Предложено использовать метод глубокого травления высокоомного кремния с применением Бош-процесса в газах SF6/C4F8 и с выбором алюминия или меди с подслоем хрома в качестве материалов маскирующего слоя для

изготовления элементов бинарной кремниевой силовой пропускающей оптики терагерцового диапазона с высотой дифракционного микрорельефа более 29

л

мкм, способных работать при плотности мощности 4 кВт/см в максимуме

освещающего гауссова пучка, что соответствует пиковой мощности для 100Л

пикосекундного импульса почти 8 МВт/см .

2. Изготовлен и исследован бинарный кремниевый дифракционный оптический элемент с диаметром апертуры 30 мм и шагом дискретизации по радиусу 75 мкм, формирующий из терагерцового (рабочая длина волны 141 мкм) гауссова пучка лазера на свободных электронах соосный световой отрезок длиной 30 мм. Экспериментально измеренная эффективность созданного оптического элемента находится в диапазоне значений 17-18% в различных плоскостях, что хорошо согласуется с результатами численного моделирования (19%).

3. Изготовлены и исследованы бинарные кремниевые оптические элементы, формирующие из терагерцового (рабочая длина волны 141 мкм) гауссова пучка лазера на свободных электронах моды Гаусса-Эрмита с номерами (1,0) и (1,1) и пучок, состоящий из мод Гаусса-Лагерра (2,2) и Гаусса-Лагерра (2,-2) с равными весами, а также бинарные винтовые аксиконы, с помощью которых были сформированы бесселевы пучки с топологическими зарядами (+-1) и (+-2). Экспериментально измеренные распределения интенсивности и фазы в сечении сформированных пучков качественно соответствуют результатам численного моделирования.

Практическая значимость:

Создание дифракционных оптических элементов, управляющих поперечным распределением пучков терагерцового лазерного излучения (в том числе мощного), позволит решать такие актуальные задачи терагерцовой оптики как создание терагерцовых лидаров, разработка сканирующих терагерцовых систем с большой глубиной фокусировки, абляция образцов

терагерцовым излучением, разработка телекоммуникационных систем терагерцового диапазона.

Достоверность полученных результатов:

Достоверность полученных и представленных в работе результатов подтверждается использованием апробированных и обоснованных методов, теоретических представлений, согласием экспериментальных результатов, полученных независимыми методами исследований, работоспособностью используемых установок и разработанных методик, а также общим согласием с результатами других исследователей.

Авторский вклад:

Все результаты, изложенные в диссертации, получены автором лично, либо при его определяющем участии.

На защиту выносятся:

1. Использование метода глубокого травления высокоомного кремния с применением Бош-процесса в газах SF6/C4F8 и с выбором алюминия или меди с подслоем хрома в качестве материалов маскирующего слоя для изготовления элементов бинарной кремниевой силовой пропускающей оптики терагерцового диапазона с высотой дифракционного микрорельефа более 29 мкм, способных

Л

работать при плотности мощности 4 кВт/см в максимуме освещающего гауссова пучка, что соответствует пиковой мощности для 100-пикосекундного

Л

импульса почти 8 МВт/см .

2. Создан и исследован бинарный кремниевый дифракционный оптический элемент, формирующий из терагерцового гауссова пучка лазера на свободных электронах соосный световой отрезок длиной 30 мм (что составляет более 3 длин Рэлея).

3. Созданы и исследованы бинарные кремниевые оптические элементы, формирующие из терагерцового гауссова пучка лазера на свободных

электронах моды Гаусса-Эрмита, Гаусса-Лагерра, а также бесселевы пучки с топологическими зарядами (+-1) и (+-2).

Объем и структура диссертации:

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, одного приложения библиографического списка, включающего 157 наименований. Работа изложена на 111 листах машинописного текста, содержит 46 рисунков, 2 таблицы.

Публикации и апробация работы

Всего по результатам диссертации опубликовано 27 работ, из них 12 статей в изданиях, определенных ВАК России и 15 публикаций в материалах конференций. Основные результаты докладывались на всероссийских и международных конференциях и семинарах, в том числе: VI International Symposium "Modern Problems of Laser Physics", Новосбирск; XX национальная конференция по использованию Синхротронного Излучения "СИ-2014"; 37th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz). - 2012; IX Всероссийский семинар по радиофизике миллиметровых и субмиллиметровых волн. Нижний Новгород, 2013; 40th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves, Hong Kong, 23 - 28 August 2015; Int. Conf. on Las. Appl. Technol. (LAT 2013), 18-22 June 2013, Moscow; International Conference Information Technology and Nanotechnology (ITNT-2015) Samara, Russia, June 29 - July 1, 2015; 2-nd International Conference "Terahertz and Microwave radiation: Generation, Detection and Applications", TERA-2012, г. Москва, 2012; Международная научная конференция «Сиб0птика-2015», г. Новосибирск, 2015; Российская конференция по актуальным проблемам полупроводниковой фотоэлектроники Ф0Т0НИКА-2015, г. Новосибирск, 2015; Всероссийская научно-техническая конференция "Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций", г. Самара, 2015; 23th International Conference on advanced laser technology ALT-2015, Faro, Portugal, 2015; 24th

International Conference on advanced laser technology ALT-2016, Galway, Ireland, 2016; Всероссийская научно-техническая конференция "Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций", г. Самара, 2016; SFR-2016, the International Conference "Synchrotron and Free electron laser Radiation: generation and application", г. Новосибирск, 2016.

ГЛАВА 1. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДА ИЗГОТОВЛЕНИЯ КРЕМНИЕВЫХ БИНАРНЫХ ДИФРАКЦИОННЫХ ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ТЕРАГЕРЦОВОГО ДИАПАЗОНА

В настоящее время существует несколько хорошо изученных и широко распространенных технологий анизотропного травления кремния [72-75]. Выбор в пользу анизотропного травления вместо изотропного обусловлен необходимостью высокого пространственного разрешения травления и получения вертикальных стенок для снижения влияния погрешностей изготовления микрорельефа на эффективность работы дифракционного оптического элемента [77].

1.1 Обзор существующих процессов анизотропного травления кремния

Существующие процессы плазменного травления кремния на основе фтора - это способы травления кремния с высокой скоростью, с возможностью глубинного травления с хорошей селективностью к маске, в частности, за счет использования фоторезиста с хорошей селективностью между кремнием и фоторезистом [75]. В основном это связано с высокой химической активностью и спонтанной природой травления радикалами фтора по отношению к кремнию, а также высокой летучестью фторидов кремния как продуктов реакции. Как следствие, травление по своей природе изотропно. Радикалам фтора не нужна ионная активация, чтобы запустить или ускорить их реакцию с кремнием, или для удаления продуктов реакции с поверхности кремния, анизотропия может быть достигнута только за счет добавления пассивации боковой стенки в схему процесса. Существующие подходы к глубинному реактивно-ионному травлению ^ШЕ) кремния отличаются способом достижения пассивации боковой стенки - ключа к анизотропии и общей производительности процесса травления [72-74].

Криогенное травление [74] и так называемый "Bosch процесс" [73] с переменными циклами травления и пассивации являются двумя наиболее известными высокоаспектными процессами травления кремния. Источники плазмы высокой плотности, с так называемой связанной плазмой, желательны или даже необходимы для всех подходов DRIE кремния, будь то криогенный или Bosch процесс. DRIE кремния основан на химической активности ионов фтора в плазме. Этот процесс требует достаточно высокой концентрации пассивирующих радикалов, а также достаточно высокой концентрации радикалов фтора для получения высоких скоростей травления. При высокой плотности химически активных частиц (ХАЧ) наиболее подходящее давление в реакторе во время процесса составляет, как правило, от 1 до 10 Па. Энергия потока ионов, бомбардирующих поверхность пластины, должна управляться независимо от степени ионизации газа, с помощью напряжения смещения.

Для хорошего контроля ускорения ионов независимо от возбуждения плазмы потенциал плазмы должен быть низким, насколько это возможно вблизи нулевого потенциала. Последнее связано с развязкой зоны возбуждения плазмы с областью подложки. Традиционные источники плазмы для RIE терпят неудачу в одном или нескольких этих требованиях. Триодные и диодные реакторы показывают недостаточную плотность плазмы ниже 1016 м3. Источники на основе электронно-циклотронного резонанса (ЭЦР) не подходят из-за очень низкого рабочего давления (<0,1 Па) при котором существует режим циклотронного резонанса. ECR (ЭЦР) представляет собой типичный источник ионов и ему не хватает достаточной химической активности. Микроволновые источники сурфатроны, геликонные источники и источники индуктивно-связанной плазмы (ICP) работают в диапазоне давлений от 10 Па и выше. В настоящее время ICP является наиболее подходящей и широко распространенной технологией источника плазмы для DRIE и стала отраслевым стандартом [78].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Володкин Борис Олегович, 2017 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Tonouchi, M. Cutting-edge terahertz technology / Masayoshi Tonouchi // Nature Photon. - 2007. - Vol. 1. - P. 97-105.

2. Yun-Shik, Lee. Principles of Terahertz Science and Technology / L. Yun-Shik. -Springer, 2009.

3. Reimann, K. Table-top sources of ultrashort THz pulses / K. Reimann Rep. // Prog. Phys. - 2007. - Vol. 70. - P. 1597-632.

4. Roskos, H. Broadband THz emission from gas plasmas induced by femtosecond optical pulses: From fundamentals to applications / H.G. Roskos, M.D. Thomson, M. KreB, T. Loffler //Laser Photon. Rev. - 2007. - Vol. 1. - P. 349.

5. Schnegg, A. Frequency domain Fourier transform THz-EPR on single molecule magnets using coherent synchrotron radiation /A. Schnegg. //Phys. Chem. Chem. Phys. - 2009. - Vol. 11. - P. 6820.

6. Thorsten, M. Simplified THz Instrumentation for High-Field DNP-NMR Spectroscopy / M. Thorsten, R. Jagadishwar // Applied Magnetic Resonance. - 2012. -Vol. 43(1). - P. 181-194.

7. http://www.iapras.ru/science/el bm/gen.html

8. http://www.esa.int/ESA_in_your_country/Ireland/Bat_inspires_space_tech_for_air port_security

9. Humphreys, K. Medical applications of terahertz imaging: a review of current technology and potential applications in biomedical engineering / K. Humphreys // Conf. Proc. IEEE Eng. Med. Biol. Soc. - 2004. - Vol. 2. - P. 1302.

10. Han, P. Free-space coherent broadband terahertz time-domain spectroscopy / P.Y.Han and X-C Zhang // Meas. Sci. Technol. - 2001. - Vol. 12. - P. 1747-1756.

11. Terahertz optics taking of /Nature Photonics. - 2013. - Vol. 7(9). - P. 665-760.

12. Yin, X. Terahertz Imaging for Biomedical Applications / X. Yin, B. W.-H. Ng, D. Abbott // Terahertz Sources and Detectors. - 2012. - P. 9-26.

13. Steinbusch, T. Active terahertz beam steering by photo-generated graded index gratings in thin semiconductor films / T.P. Steinbusch, H.K. Tyagi, M.C. Schaafsma, G. Georgiou, J. Gómez Rivas //Optics Express. - 2014. - Vol. 22(22)/ - P. 26559.

14. Knobloch, P. Medical THz imaging: an investigation of histo-pathological samples /P. Knobloch //Phys. Med. Biol. - 2002. - Vol. 47. - P. 3875.

15. Hight, W. 53rd Ohio State Univ. Intern. Symp. on Molecular Spectroscopy. -1998. - Vol. 53. - P. 158.

16. Globus, T. Submillimeter-wave Fourier transform spectroscopy of biological macromolecules / T.R. Globus, D.L. Woolard, A.C. Samuels, B. L. Gelmont, J. Hesler, T. W. Crowe, M. Bykhovskaia // J. Appl. Phys. - 2002. - Vol. 91. - P. 6105.

17. Greene, B. Far-infrared light generation at semiconductor surfaces and its spectroscopic applications/ B.I. Greene, P.N. Saeta, R.D. Douglas, S.L. Chuang // IEEE J. Quant. Electron. - 1992. - Vol. 28. - P.2302-2312.

18. Sarukura , N. High average-power THz radiation from femtosecond laser-irradiated InAs in a magnetic field and its elliptical polarization characteristics / N. Sarukura, H.Ohtake, S. Izumida, Z. Liu // J. Appl. Phys. - 1998. - Vol.84. - P.654-656.

19. Campbell, P. Free space electro-optic and magneto-optic sampling / P. Campbell, M. Li, Z.G. Lu, J. A. Riordan, K.R. Stewart, G.A. Wagoner, Q. Wu, X.C. Zhang // Proc. SPIE. - 1998. - Vol. 3269. - P.114-124.

20. Li, M. Portable THz system and its applications / M. Li, X.C. Zhang // Proc. SPIE. - 1999. - Vol. 3616. - P.126-135.

21. Unterrainer, K. Few-cycle THz spectroscopy of semiconductor quantum structures / K. Unterrainer, R. Kersting, R. Bratschitsch, T. Muller, G. Strasser, J.N. Heyman // Physica. - 2001. - Vol. E. (9). - P.76-83.

22. Murdin, B. Direct observation of the LO phonon bottleneck in wide GaAs/Alx Ga1-x As quantum wells / B.N. Murdin, W. Heiss, C.J.G.M. Langerak, S.C. Lee, I. Galbraith, G. Strasser, E. Gornik, M. Helm, C.R. Pidgeon // Phys. Rev. - 1997. -Vol. B. 55. - P.5171-5176.

23. Kersting, R. Few-Cycle THz Emission from Cold Plasma Oscillations / R. Kersting, K. Unterrainer, G. Strasser, H.F. Kaumann, E. Gornik // Phys. Rev. Lett. -1997. - Vol.7. - P. 3038-3041.

24. Wu, Q. Free-space electro-optic sampling of terahertz beam / Q Wu, X-C Zhang // Appl. Phys. Lett. - 1995. - Vol. 67. - P. 3523.

25. Wang, S. Pulsed terahertz tomography / S.Wang, X-C Zhang // J. Phys. D: Appl. Phys. - 2004. - Vol. 37(4). - P. 964.

26. Planken, P. THz pulses from the creation of polarized electron-hole pairs in biased quantum wells / P.C. Planken, M.C. Nuss, W.H. Knox, D.A. Miller, K. W. Goossen //Appl. Phys. Lett. - 1992. - Vol. 61. - P. 2009-2011.

27. Benicewicz, P. Scaling of teraherz radiation from large-aperture biased photoconductors / P.K. Benicewicz, J.P. Roberts, A.J. Taylor // JOSA. B. -1994. -Vol.12. - P. 2533-2546.

28. McIntosh, K. Teraherz photomixing with diode lasers inlow-temperature-grown GaAs / K. A. McIntosh, E.R. Brown, K.B. Nichols, O.B. McMahon, W.F. DiNatale, T.M. Lyszczarz// Appl. Phys. Lett. - 1995. - Vol.67.- P. 3844-3846.

29. Sarukura, N. High average-power THz radiation from femtosecond laser-irradiated InAs in a magnetic field and its elliptical polarization characteristics / N. Sarukura, H. Ohtake, S. Izumida S., Z. Liu // J. Appl. Phys. - 1998. - Vol.84. -P.654-656.

30. Izumida, S. Spectrum control of THz radiation and frequency chirp of the exitation pulses / S. Izumida, S. Ono, Z. Liu, H. Ohatake, N. Sarukura// Appl. Phys. Lett. - 1999. - Vol.75. - P. 451-453.

31. Kondo, T. Terahertz radiation from (111) InAs surface using 1.55 um femtosecond laser pulses / T. Kondo, M. Sakamoto, M. Tonouchi, M. Hangyo // Jpn. J. Appl. Phys. - 1999. - V.38. - P.1035-1037.

32. Gurtler, A. Terahertz pulse propagation in the near fied and the far field / A. Gurtler, C. Winnewisser, H. Helm, P. U. Jepsen // JOSA.- 2000. - Vol.1. - P.74-83.

33. Averitt, R. Conductivity artifacts in optical-pump THz-probe measurements of YBa2Cu3O7 / R.D. Averitt, G. Rodriguez, J.L. Siders, S.A. Trugman, A.J. Taylor // JOSA. - 2000. - Vol.17. - P.327-331.

34. Mittleman, D. Recent advances in terahertz imaging / D.M. Mittleman, M. Gupta, R. Neelamani, R. G. Baraniuk, J.V. Rudd, M. Koch // Appl. Phys. B. - 1999.

- Vol. 68. - P.1085-1094.

35. Herrmann, M. Display modes in time-resolved terahertz imaging / M. Herrmann, M. Tani, K. Sakai // Jpn. J. Appl. Phys. - 2000. - Vol.39. - P.6254-6256.

36. Roskos, H. Coherent submillimeter-wave emission from charge oscillations in a double-well potential / H. Roskos, M.C. Nuss, K. Leo, D.A.B. Miller, A.M. Fox, S. Schmidt-Rink, K. Kohler // Phys. Rev. Lett. - 1992. - Vol.68. - P. 2216-2219.

37. Planken, P. Terahertz emission in single quantum wells after coherent optical excitation of light hole and heavy hole excitons / P.C.M. Planken, M.C. Nuss, I. Brenner, K.W. Goossen, M.S. Luo, S.L. Chuang, L. Pfeier // Phys. Rev. Lett. - 1992.

- Vol.69. - P.3800-3803.

38. Waschke, C. Coherent submillimeter-wave emission from Bloch oscillations in a semiconductor superlattice / C. Waschke, H.G. Roskos, R. Schwedler, K. Leo, H. Kurz, K.K. Ohler // Phys. Rev. Lett. - 1993. - Vol.70. - P. 3319-3322.

39. Vosseburger, M. Radiative decay of optically excited coherent plasmons in a two-dimensional electron gas / M. Vosseburger, H.G. Roskos, F. Wolter, C. Waschke, H. Kurz, K. Hirakawa, I. Wilke, K. Yamanaka // JOSA. B. - 1996. - Vol. 13. - P.1045.

40. Kersting, R. Coherent plasmons in n-doped GaAs / R. Kersting, J.N. Heyman, G. Strasser, K. Unterrainer// Phys. Rev. B. - 1998. - Vol.58. - P.4553-4559.

41. Unterrainer, K. Few-cycle THz spectroscopy of semiconductor quantum structures / K. Unterrainer, R. Kersting, R. Bratschitsch, T. Muller, G. Strasser, J.N. Heyman // Physica. - 2001. - Vol.9. - P.76-83.

42. Cook, D. Intense terahertz pulses by four-wave rectification in air / D. J. Cook, R. M. Hochstrasser // Opt. Letts. - 2000. - Vol.25. - P.1210-1212.

43. Holzman, J. Frozen wave generation of bandwidth-tunable two-cycle THz radiation / J.F. Holzman, F. E. Vermeulen, Y. Elezzabi// JOSA. B. - 2000. - Vol. 7. -P. 1457-1463.

44. Auston, D. Generation and detection of millimeter waves by picoseconds photoconductivity/ D.H. Auston, P.R. Smith // Appl. Phys. Lett. - 1983.- Vol. 43. -Р.631.

45. Knyazev, B.A. Novosibirsk terahertz free electron laser: instrumentation development and experimental achievements / B.A. Knyazev, G.N. Kulipanov, N.A. Vinokurov // Measurement Science and Technology. - 2010. - Vol. 21. - P. 13.

46. Кулипанов, Г. Использование синхротронного излучения: состояние и перспективы /Г.Н. Кулипанов, А.Н. Скринский // Успехи Физических Наук. -1977. - Т. 122. - С. 369.

47. Todd, A. High-Power THz Source Development / A.M.M. Todd, H.P. Bluem, V. Christina // Proc. Joint 30th Intl. Conf. on Infrared and Millimeter Waves & 13th Intl. Conf. on Terahertz Electronics, Williamsburg, USA. - 2005 - P. 497.

48. Martin, C. / M.C. Martin, J. Byrd, Z. Hao // Proc. IRMMW-2005. - P. 489.

49. https://cas.web.cern.ch/cas/UK-2007/Lectures/PDF/Weightman/Weightman.pdf

50. Mross, M. / M. Mross, T.H. Lowell, R. Durant, M. F. Kimmitt// Proc. IRMMW-2005 - P. 491.

51. http://www.prometheus-us.com/asi/sensors2005/papers/mcmillan.pdf

52. Кулипанов, Г.Н. Экспериментальные исследования взаимодействия терагерцового излучения новосибирского лазера на свободных электронах с водным аэрозолем/ Кулипанов Г.Н., Лисенко А.А., Матвиенко Г.Г., Ошлаков В.К., Кубарев В.В., Чесноков Е.Н., Бабченко С.В.// Оптика атмосферы и океана. 2014. Т. 27. № 12. С. 1070-1073.

53. Neelakanta, P. Conceiving THz Endometrial Ablation: Feasibility, Requirements and Technical Challenges / P. S. Neelakanta ; B. Sharma // IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology. - 2013. - Vol. 3(4). P. 402-408.

54. Muljarov, E. Resonant acousto-optics in the terahertz range: TO-phonon polaritons driven by an ultrasonic wave / E.A. Muljarov, R.H. Poolman, A.L. Ivanov // Phys. Rev. B. - 2011.- Vol. 83. P. 115204.

55. Krupin, O Biosensing using straight long-range surface plasmon waveguides / O. Krupin, H. Asiri , C. Wang, R.N. Tait, P. Berini // Opt. Express. - 2013. - 21. - 698709.

56. Dem'yanenko, M. Imaging with a 90 frames/s microbolometer focal plane array and high-power terahertz free electron laser / M.A. Dem'yanenko, D.G. Esaev, B.A. Knyazev, G.N. Kulipanov, N.A. Vinokurov // Appl. Phys. Lett. - 2008. -Vol. 92, 131116.

57. Knyazev, B. Real-time imaging using a highpower monochromatic terahertz source: comparative description of imaging techniques with examples of application. / B. A. Knyazev, V. S. Cherkassky, Y. Y. Choporova, V.V. Gerasimov, M.G. Vlasenko, M.A. Dem'yanenko, D.G. Esaev // «Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves» - 2011. - Vol. 32, №10. - P. 1207- 1222.

58. Peiponen, K. Terahertz Spectroscopy and Imaging / K. Peiponen, A. Zeitler, M. Kuwata-Gonokami. - Berlin: Springer., 2012. - 644 p.

59. Головашкин, Д.Л. Дифракционная компьютерная оптика / Д.Л. Головашкин, Л.Л. Досколович, Н.Л. Казанский, В.В. Котляр, В.С. Павельев, Р.В. Скиданов, В.А. Сойфер, С.Н. Хонина; под ред. В.А. Сойфера. - М.: Физматлит, 2007. - 736 с.

60. Walsby, E. Multilevel silicon diffractive optics for terahertz waves / E.D. Walsby, S. Wang, J. Xu, T. Yuan, R. Blaikie, S.M. Durbin, X.-C. Zhang, D.R.S. Cumming // J. Vac. Sci.Technol. B. - 2002. - Vol. 20(6). - P. 2780.

61. *Агафонов, А.Н. Дифракционные линзы для мощных пучков терагерцового излучения /А. Н. Агафонов, М. Г. Власенко, Б. О. Володкин, В. В. Герасимов, А. К. Кавеев, Б. А. Князев, Г. И. Кропотов, В. С. Павельев, И. Г. Пальчикова, В. А. Сойфер, М. Ф. Ступак, К. Н. Тукмаков, Е. В. Цыганкова, Ю. Ю. Чопорова // Известия РАН, сер. физическая. - 2013. - Т.77, №9. - C. 1360-1362.

62. Герасимов, В. Диагностический комплекс для исследования терагерцовых поверхностных плазмон-поляритонов на Новосибирском лазере на свободных электронах. / В. В. Герасимов, Г. Н. Жижин, Б. А. Князев, И. А. Котельников, Н.

A. Митина, А. К. Никитин. // Известия РАН, сер. Физическая. - 2013. - Т.77, №9. - Сю 1363-1366.

63. Gerasimov, V. Surface plasmon polaritons launched using a terahertz freeelectron laser: propagating along a gold-ZnS-air interface and decoupling to free waves at thesurface tail end/ V. V. Gerasimov, B. A. Knyazev, I. A. Kotelnikov, A. K. Nikitin, V. S. Cherkassky, G. N. Kulipanov, and G. N. Zhizhin // J. Opt. Soc. Am.

B. - 2013. - Vol. 30. - P. 2182 .

64. Gerasimov, V. Experimental investigations into capability of terahertz surface plasmons to bridge macroscopic air gaps / V. V. Gerasimov, B. A. Knyazev, A. K. Nikitin, and G. N. Zhizhin // Opt. Express. - 2015. - Vol. 23(26). - P. 33448-33459.

65. Xuli, Wei Generation of arbitrary order Bessel beams via 3D printed axicons at the terahertz frequency range / Wei X, Liu C, Niu L, Zhang Z, Wang K, Yang Z, Liu J.// Appl Opt. - 2015. - 54(36).

66. Furlan, W 3D printed diffractive terahertz lenses / W.D. Furlan, V. Ferrando, J.A. Monsoriu, P. Zagrajek, E. Czerwinska, M. Szustakowski // Optics Letters. -2016. - №8. - Vol. 41.

67. Голуб, М.А. Фокусировка когерентного излучения в заданную область пространства с помощью синтезированных на ЭВМ голограмм / М.А. Голуб,

C.B. Карпеев, A.M. Прохоров, И.Н. Сисакян, В.А. Сойфер // Письма в ЖТФ. -1981. - Т. 7, Вып. 10. - С. 618-623.

68. Голуб, М.А. Фазовые пространственные фильтры, согласованные с поперечными модами / М.А. Голуб, С.В. Карпеев, Н.Л. Казанский, А.В. Мирзов, И.Н. Сисакян, В.А. Сойфер, Г.В. Уваров // Квантовая электроника. -1988. - Т. 15, № 3. - С. 617-618.

69. Soifer, V.A. Laser beam mode selection by computer generatedholograms / V.A. Soifer, M.A. Golub. - CRC Press, 1994.

70. Reiten, M.T. Terahertz beam propagation measured through three-dimensional amplitude profile determination / M.T. Reiten, S.A. Harmon, R.A. Cheville // JOSA B - 2003.- Vol. 20, Issue 10. - P. 2215-2225.

71. http://www.tydexoptics.com/pdf/Si.pdf

72. Jansen, H. The black silicon method: A universal method for determining the parameter setting of a fluorine-based reactive ion etcher in deep silicon trench etching with profile control / H. Jansen, M. Boer, R. Legtenberg, M. Elwenspoek // J. Micromech. Microeng. - 1995 - Vol. 5. - P. 115-120.

73. Laermer, F. A. Schilp: Method of Anisotropically Etching Silicon Patent 5501893, Office, U.S.P., USA. -1996.

74. Bartha, J. Low temperature etching of Si in high density plasma using SF6/O2, / J.W. Bartha, J. Greschner, M. Puech, P. Maquin // Microelectron. Eng. - 1995. - Vol. 27. - P. 453-456.

75. Puech, M. Low temperature etching of Si and PR in high density plasmas / M. Puech, P. Maquin // Appl.Surf. Sci. - 1996. - P. 100-101

76. Павельев, В. Оптимизация ДОЭ, фокусирующего гауссов пучок в прямоугольную фокальную область /В.С. Павельев// Компьютерная оптика. -2001. - Вып. 22. - С.37-40.

77. Волков, А.В. Исследование погрешностей формирования дифракционной решетки на торце галогенидного ИК-волновода / А.В. Волков, Д.Л. Головашкин, В.А. Ерополов, Н.Л. Казанский, С.В. Карпеев, О.Ю. Моисеев, В.С. Павельев, В.Г. Артюшенко, В.В. Кашин // Известия СНЦ РАН. - 2006.- №4. -С. 1211-1217.

78. http://thesis.library.caltech.edu/5846/2yMDH-Thesis-Rev1.pdf

79. Mogab, C. Plasma etching of Si and SiO2 - The effect of oxygen additions to CF4 plasmas / C.J. Mogab, A.C. Adams, D.L. Flamm// J. Appl. Phys. - 1978. - Vol. 49. - P. 3796-3803.

80. *Knyazev, B. Generation of Terahertz Surface Plasmon Polaritons Using Nondiffractive Bessel Beams with Orbital Angular Momentum /B. A. Knyazev, Yu.Yu. Choporova, M. S. Mitkov, V. S. Pavelyev and B. O. Volodkin // Physical Review Letters. - 2015. - Vol.10. - P. 115

81. *Agafonov, A.N. Focusing of Novosibirsk Free Electron Laser (NovoFEL) radiation into paraxial segment / A.N. Agafonov, B.O. Volodkin, D.G. Kachalov // Journal of Modern Optics. - 2016. - Vol. 63(11). - P. 1051-1054.

82. *Volodkin, B. Fabrication and characterization of diffractive phase plates for forming high-power terahertz vortex beams using free electron laser radiation / B. Volodkin, Y. Choporova, B. Knyazev // Optical and Quantum Electronics.- 2016. -Vol. 48(4). - P. 48-56.

83. *Zhabin , V.N. Spectrum of spatial frequency of terahertz vortex Bessel beams formed using phase plates with spiral zones / V.N. Zhabin, B.O. Volodkin, B.A. Knyazev, M.S. Mitkov, V.S. Pavelyev, Yu.Yu. Choporova // Computer Optics and Nanophotonics, Information Technology and Nanotechnology (ITNT-2015). - 2015.

- P. 171.

84. *Агафонов, А.Н. Фокусировка излучения новосибирского лазера терагерцового диапазона (NOVOFEL) в соосный отрезок / А.Н. Агафонов, Б.О. Володкин, А.К. Кавеев, Б.А. Князев, Г.И. Кропотов, В.С. Павельев, // Компьютерная оптика. - 2015.- Т. 3. - №1.

85. *Агафонов, А.Н. Кремниевые дифракционные оптические элементы для мощного монохроматического терагерцового излучения / А.Н. Агафонов, Б.О. Володкин, А.К. Кавеев, Б.А.Князев, Г.И. Кропотов, В.С. Павельев, В.А. Сойфер, К.Н. Тукмаков, Е.В. Цыганкова, Ю.Ю. Чопорова // Автометрия. - 2013.

- Т. 49, № 2. - С. 98-105.

86. *Агафонов, А.Н. Кремниевая оптика для фокусировки лазерного излучения терагерцового диапазона в заданные двумерные области / А.Н. Агафонов, Б.О. Володкин, С.Г. Волотовский, А.К. Кавеев, Б.А. Князев, Г.И. Кропотов, К.Н. Тукмаков, В.С. Павельев, Е.В. Цыганкова, Д.И. Цыпишка, Ю.Ю. Чопорова// Компьютерная оптика. - 2013. - Т. 37, № 4. - С. 464-470. - ISSN 0134-2452.

87. *Agafonov, A.N. Control of transverse mode spectrum of Novosibirsk free electron laser radiation / A. N. Agafonov, Yu. Yu. Choporova, A. K. Kaveev, B. A. Knyazev, G. I. Kropotov, V. S. Pavelyev, K. N. Tukmakov, B. O. Volodkin // Applied Optics. - 2015. - Vol. 54, № 12. - P. 3635-3639.

88. *Volodkin, B.O. Silicon diffractive optical elements for transformation of terahertz novosibirsk free electron laser radiation / B.O. Volodkin, V.S. Pavelyev, K.N. Tukmakov, A.N. Agafonov, B.A. Knyazev, Yu.Yu. Choporova, A.K. Kaveev,

G.I. Kropotov // Techn. Digest of Int. Conf. on Las. Appl. Technol. (LAT 2013). -2013.- Moscow. - P.43-44.

89. *Knyazev, B. Transmission Of High-power Terahertz Beams With Orbital Angular Momentum Through Atmosphere / Boris Knyazev, Yulia Choporova, Vladimir Pavelyev, Natalya Osintseva, Boris Volodkin // Materials of 41th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz). - 2016.

90. *Агафонов, А. Управление поперечно-модовым составом терагерцового лазерного излучения с помощью элементов бинарной кремниевой оптики / А.Н. Агафонов, Б.О. Володкин, А.К. Кавеев, Б.А. Князев, Г.И. Кропотов, В.С. Павельев, К.Н. Тукмаков, Ю.Ю. Чопорова // Компьютерная оптика. - 2014. - Т. 38, № 4. - С. 763-769.

91. *Knyazev, B. High-power terahertz non-diffractive Bessel beams with angular orbital momentum: Generation and application / B. Knyazev; Y. Choporova; M. Mitkov; V. Pavelyev, B. Volodkin // 40th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves, Hong Kong. - 2015. - 3129943.

92. *Павельев, В.С. Кремниевая дифракционная оптика для управления лазерным излучением субмиллиметрового диапазона / В.С. Павельев, А.Н. Агафонов, Б.О. Володкин, А.К. Кавеев, Д.Г. Качалов, Б.А. Князев, Г.И. Кропотов, К.Н. Тукмаков, Е.В. Цыганкова, Д.И. Цыпишка, Ю.Ю. Чопорова // Книга тезисов XX национальной конференции по использованию Синхротронного Излучения "СИ-2014", Новосибирск. - 2014. - C. 62-63.

93. *Knyazev, B. A. Study of Diffractive Optical Elements Using High- Power Radiation of Novosibirsk Terahertz Free Electron Laser / B. A. Knyazev, Y. Y. Choporova, V. V. Gerasimov, M. G. Vlasenko, V. S. Pavelyev, B. O. Volodkin, A. N. Agafonov, K. N. Tukmakov, A. K. Kaveev, G. I. Kropotov, E. V. Tsygankova, M. F. Stupak, I. G. Palchikova. // 2012 37th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz). - 2012.

94. *Agafonov, A.N. Optical elements for focusing of Terahertz laser radiation in a given two-dimensional domain / A.N. Agafonov, B.O. Volodkin, S.G. Volotovsky,

A.K. Kaveev, B.A. Knyazev, G.I. Kropotov, K.N. Tukmakov, V.S. Pavelyev, E.V. Tsygankova, D.I. Tsypishka, Yu.Yu. Choporova // Optical memory and neural networks (Information Optics). - 2014. - Vol. 23. - № 3. - P. 185-190.

95. Ayon, A. Characterization of a time multiplexed inductively coupled plasma etcher / A.A. Ayon // Journal of the Electrochemical Society. - 1999. - Vol. 146. № 1. - P. 339-349.

96. Gatesman, A. "An antireflection coating for silicon optics at terahertz frequencies / A. J. Gatesman // Microwave and Guided Wave Letters, IEEE 10. -2000. - P. 264-266.

97. Hübers, H. Parylene antireflection coating of a quasioptical hot-electron-bolometric mixer at terahertz frequencies / H.-W Hübers, J. Schubert, A. Krabbe, M. Birk, G. Wagner, A. Semenov, G. Gol'tsman, B. Voronov, E. Gershenzon,// Infrared Physics & Technology. - 2001. - Vol. 42. - P. 41-47.

98. Чопорова, Ю.Ю. Запись и восстановление голограмм амплитудных объектов в терагерцовом диапазоне /Ю. Ю. Чопорова, М. Г. Власенко, В. В. Герасимов, Т. Н. Иргалин, Б. А. Князев, В. С. Черкасский // Радио-физика. -2011. - Т.54, №8-9. - С. 649-655.

99. Knyazev, B. Real-Time Imaging Using a High-Power Monochromatic Terahertz Source: Comparative Description of Imaging Techniques with Examples of Application / B.A. Knyazev// J. Infrared Millimetr and Teraherz Waves. - 2011. -Vol. 32. - P.1053.

100. Duparre, M. Investigation of computer-generated diffractive beam shapers for flattening of single-modal CO2 - laser beams/ M. Duparre, M.A. Golub, B. Ludge, V.S. Pavelyev, V.A. Soifer, G.V. Uspleniev, S.G. Volotovskii // Applied Optics. - 1995. - V.34, №14. - P. 2489-2497.

101. Soifer, V. A. Diamond focusators for far IR lasers / V. A. Soifer, V.S. Pavelyev, V.V. Kononenko, V.I. Konov, S.M. Pimenov, A.M. Prokhorov, B. Luedge, M. Duparre' // Компьютерная оптика МЦНТИ. - 2000. - С.71-75.

102. Kachalov, D.G. Application of the direct search in solving a problem of forming longitudinal distribution of intensity/ D.G. Kachalov, V.S. Pavelyev, S.N.

Khonina, R.V. Skidanov, O.Yu. Moiseev // Journal of Modern Optics. - 2011. -Vol. 58(1). - P. 69-76.

103. Карлов, Н.В. Лекции по квантовой электронике / Москва, Наука. - 1983. -320 с.

104. http: //ssrc. inp. nsk. su/conf/ERL2013/Presentations/WG601 talk.pdf

105. Miyamoto, K. Direct observation of the topological charge of a terahertz vortex beam generated by a Tsurupica spiral phase plate / K. Miyamoto, K. Suizu, T. Akiba, T. Omatsu // Applied Physics Letters. - 2014. - Vol. 104(26). - P. 261104.

106. Poynting, J. H. The wave motion of a revolving shaft, and a suggestion as to the angular momentum in a beam of circularly polarised light / J. H. Poynting // Proc. Royal Society A. - 1909. - Т. 82. - С. 560-567.

107. Beth, R.A. Mechanical detection and measurement of the angular momentum of light / R.A. Beth // Phys. Rev. -1936. - Vol. 50.- P.115-127.

108. Allen, L. Orbital angularmomentum of light and the transformation of Laguerre-Gaussian laser modes / L. Allen, Beijersbergen M. W., R. J. C. Spreeuw, J. P. Woerdman // Phys. Rev. A. - 1992. - V. 45, № 11. - P. 8185-8189.

109. Baranova, N. Dislocations of the wave-front surface and zeros of the amplitude / N. B. Baranova, B. Ya. Zel'dovich // Soviet Physics JETP. - 1981. - V. 53, № 5. -P. 925-929. 48

110. Баженов, В. Лазерные пучки с винтовыми дислокациями волнового фронта / В. Ю. Баженов, М.В. Васнецов, М.С. Соскин // Письма в ЖТФ. - 1990.

- T. 52, № 8. - C. 1037- 1039.

111. Алексеев, А. Конверсия пучков Эрмита-Гаусса и Лагерра-Гаусса в астигматичной оптической системе: 1 эксперимент / А.Н. Алексеев, К.Н. Алексеев, А.С. Бородавка, А.В. Воляр, Ю.А. Фридман // Письма в ЖЭТФ. -1998. - T. 24, № 17. - C. 68-73.

112. Воляр, А. Вращение волнового фронта оптического вихря в свободном пространстве / А.В. Воляр, В.Г. Шведов, Т.А. Фадеева // Письма в ЖТФ. - 1999.

- T. 25, № 5. - C. 87-94.

113. Kennedy, S. Creation of Laguerre-Gaussian laser modes using diffractive optics / S. A. Kennedy, M. J. Szabo, H. Teslow, J. Z. Porterfield, E. R. I. Abraham // Physical Review A. - 2002. - Vol. 66, № 4.

114. Berry, M. Orbital and spin angular momentum in conical diffraction / M.V. Berry, M.R. Jeffrey, M. Mansuripur // J. Opt. A-Pure and Applied Optics. - 2005. -Vol. 7, № 11. - P. 685- 690.

115. Marrucci, L. Optical spin-to-orbital angular momentum conversion in inhomogeneous anisotropic media / L. Marrucci, C. Manzo, D. Paparo // Phys. Rev. Lett. - 2006. - V. 96, № 16. - 163905.

116. Allen, L. Equivalent geometric transformations for spin and orbital angular momentum of light / L. Allen, M. Padgett // J. Modern Optics. - 2007. - Vol. 54, № 4. - P. 487-491.

117. Wang, X.-L. Optical orbital angular momentum from the curl of polarization / X.-L. Wang, J. Chen, Y. Li, J. Ding, C.-S. Guo, H.-T. Wang // Phys. Rev. Lett. -2010. - V. 105, № 25. - P. 253602, 4.

118. Marrucci, L. Spin-to-orbital conversion of the angular momentum of light and its classical and quantum applications / L. Marrucci, E. Karimi, S. Slussarenko, B. Piccirillo, E. Santamato, E. Nagali, F. Sciarrino // J. Opt. - 2011. - Vol. 13, № 6. - P. 064001, 13.

119. Mirhosseini, M. Rapid generation of light beams carrying orbital angular momentum / M. Mirhosseini, O.S. Magana-Loaiza, C. Chen, B. Rodenburg, M. Malik, R.W. Boyd // Optics Express. - 2013. - Vol. 21, № 25. - P. 30196-30203.

120. Khonina, S. N. Simple phase optical elements for narrowing of a focal spot in highnumerical-aperture conditions // Optical Engineering. - 2013. - Sep. - V. 52, № 9. - P. 091711.

121. Yu, H. Optical orbital angular momentum conservation during the transfer process from plasmonic vortex lens to light / H. Yu, H. Zhang, Y. Wang, S. Han, H. Yang, X. Xu, Z. Wang, V. Petrov, J. Wang // Sci. Reports. - 2013. - Nov 12. - Vol. 3. - P. 3191. 49.

122. Mokhun , I. Angular momentum of an incoherent Gaussian beam / I. Mokhun, A.D. Arkhelyuk, Y. Galushko, Y. Kharitonova, Y. Viktorovskaya // Appl. Optics. -2014. - Vol. 53, № 10. - P. B38-B42.

123. Yu, F. Flat optics with designer metasurfaces / N. Yu, F. Capasso // Nature Materials. - 2014. - V. 13, № 2. - P. 139-150.

124. Хонина, С.Н. Формирование гауссовых пучков с помощью винтовых ДОЭ / С.Н. Хонина, А.А. Алмазов // Компьютерная оптика. - 2002. - № 24. - C. 102109.

125. Hemsing, E. Coherent optical vortices from relativistic electron beams / E. Hemsing, A. Knyazik, M. Dunning, D. Xiang, A. Marinelli, C. Hast, J. B. Rosenzweig // Nature Physics. - 2013. - Vol. 9, № 9. - P. 549-553.

126. Bahrdt, J. First Observation of Photons Carrying Orbital Angular Momentum in Undulator Radiation / J. Bahrdt, K. Holldack, P. Kuske, R. Mueller, M. Scheer, P. Schmid// Phys. Rev. Lett. - 2013. -Vol. 111, № 3. - P. 034801.

127. Scholz-Marggraf, H. Absorption of twisted light by hydrogen like atoms / H.M. Scholz-Marggraf, S. Fritzsche, V.G. Serbo, A. Afanasev, A. Surzhykov// Phys. Rev. A. - 2014 - Vol. 90. - P. 013425.

128. Matula, O. Atomic ionization of hydrogen-like ions by twisted photons: angular distribution of emitted electrons / O. Matula, A.G. Hayrapetyan, V.G. Serbo, A. Surzhykov, S. Fritzsche// J. Phys. B. Atomic Molecular and Optical Physics. - 2013. -V. 46. - P. 05002.

129. Matula, O. Radiative capture of twisted electrons by bare ions / O. Matula, A.G. Hayrapetyan, V.G. Serbo, A. Surzhykov, S. Fritzsche // New Journal of Physics.

- 2014. - Vol. 16. - P. 053024.

130. Torres, J. Twisted photons (Applications of light with orbital angular momentum) / ed. by J. P. Torres and L. Torner. - Wiley-VCH Weinheim, Germany.

- 2011.

131. Leyser, T. Radio Pumping of Ionospheric Plasma with Orbital Angular Momentum / T.B. Leyser, L. Norin, M. McCarrick, T.R. Pedersen, B. Gustavsson // Phys. Rev. Lett. - 2009. - Vol. 102, № 6. - P. 065004.

132. Thide, B. Utilization of photon orbital angular momentum in the lowfrequency radio domain / B. Thide, H. Then, J. Sjoholm, K. Palmer, J. Bergman, T. D. Carozzi, Y. N. Istomin, N. H. Ibragimov, R. Khamitova // Physical Review Letters. - 2007. -Vol. 99, № 8. - P. 087701.

133. Tamburini, F. Encoding many channels on the same frequency through radio vorticity: first experimental test / F. Tamburini, E. Mari, A. Sponselli, B. Thide, A. Bianchini, F. Romanato // New Journal of Physics. - 2012. - Vol. 14. - P. 033001.

134. Gbur, G. Vortex beam propagation through atmospheric turbulence and topological charge conservation / G. Gbur, R.K. Tyson // Journal of the Optical Society of America a-Optics Image Science and Vision. - 2008. - Jan. - Vol. 25, № 1. - P. 225-230.50.

135. Аксенов, В. Флуктуации орбитального углового момента лазерного пучка, несущего оптический вихрь, в турбулентной атмосфере / В.П. Аксенов, Ч.Е. Погуца// Квантовая электроника. - 2008. - T. 38, № 4. -C. 343-348.

136. Babiker, M. Orbital angular momentum exchange in the interaction of twisted light with molecules / M. Babiker, C.R. Bennett, D.L. Andrews, L.C.D. Romero // Physical Review Letters. - 2002. -Vol. 89, № 14. - P. 043601.

137. Скиданов, Р. Оптическое вращение микрочастиц в гипергеометрических пучках, сформированных дифракционными оптическими элементами с многоуровневым микрорельефом / Р. В. Скиданов, С. Н. Хонина, А. А. Морозов // Оптический журнал. - 2013. - Т. 80. №. 10. - С. 3-8.

138. Карпеев, С. Анализ и формирование многомодовых лазерных пучков методами дифракционной оптики / С. В. Карпеев - М.: Радио и связь, 2005. -120 c.

139. Yao, A. Orbital angular momentum: origins, behavior and applications / A.M. Yao, M.J. Padgett // Advances in Optics and Photonics. - 2011. - Vol. 3, № 2. - P. 161-204.

140. Molina-Terriza, G. Twisted photons / G. Molina-Terriza, J.P. Torres, L. Torner // Nature Physics. - 2007. - Vol. 3, № 5. - P. 305-310.

141. Andrews, D. On optical vortex interactions with chiral matter / D.L. Andrews, L.C.D. Romero, M. Babiker // Optics Communications. - 2004. - Vol. 237, № 1-3. -P. 133-139.

142. Araoka, F. Interactions of twisted light with chiral molecules: An experimental investigation / F. Araoka, T. Verbiest, K. Clays, A. Persoons // Phys. Rev. A. - 2005.

- Vol. 71, № 5. - P. 055401.

143. Loffler, W. Cholesteric polymers and the orbital angular momentum of light / W. Loffler, J.P. Woerdman // Complex Light and Optical Forces VI. - 2012. -Vol.8274. - P. 827404.

144. Andrews, D. Measures of chirality and angular momentum in the electromagnetic field / D.L. Andrews, M.M. Coles // Optics Letters. - 2012. - Vol. 37, № 15. - P. 3009-3011.

145. Loffler, W. Total internal reflection of orbital angular momentum beams / W. Loffler, N. Hermosa, A. Aiello, J.P. Woerdman // Journal of Optics. -2013. - Vol. 15, № 1. - P. 014012.

146. He J. Generation and evolution of the terahertz vortex beam / J. He, X. Wang, D. Hu, J. Ye, S. Feng, Q. Kan, Y. Zhang // Optics Express. - 2013.- Vol. 21, № 17. -P. 20230- 20239.

147. Imai, R. Generation of broadband terahertz vortex beams / R. Imai, N. Kanda, T. Higuchi, K. Konishi, M. Kuwata-Gonokami // Optics Letters. - 2014. - Jul 1. - V. 39, № 13. - P. 3714-3717.

148. Imai, R. Terahertz vector beam generation using segmented nonlinear optical crystals with threefold rotational symmetry / R. Imai, N. Kanda, T. Higuchi, Z. Zheng, K. Konishi, M. Kuwata-Gonokami // Optics Express. -2012. - Vol. 20, № 20.

- P. 21896-21904.

149. Heckenberg, R. Generation of optical phase singularities by computergenerated holograms / R.N. Heckenberg, R. McDuff, , C.P. Smith, A.G. White // Optics Letters - 1992 - Vol. 17. - P. 221-223.

150. Ameen, A Ultra-sensitive colorimetric plasmonic sensing and microfluidics for biofluid diagnostics using nanohole array / A. Ameen , M.R. Gartia , A. Hsiao, T.-W. Chang , Z. Xu , G.L. Liu // J. Nanomater. - 2015. - №16.

151. * Безус, Е.А. Формирование высокочастотных двумерных интерференционных картин поверхностных плазмон-поляритонов / Е.А.Безус,

A.А.Морозов, Б.О. Володкин, К.Н. Тукмаков, С.В.Алферов, Л.Л. Досколович // Письма в ЖЭТФ. - 2013. - 98(6). - с. 357-360.

152. * Комленок, М.С. Создание линзы Френеля терагерцевого диапазона с многоуровневым микрорельефом методом фемтосекундной лазерной абляции / М.С. Комленок , Б.О. Володкин, Б.А. Князев, В.В. Кононенко, Т.В. Кононенко,

B.И. Конов, В.С. Павельев, В.А. Сойфер, К.Н. Тукмаков, Ю.Ю. Чопорова // Квантовая Электроника. - 2015. - Т. 45, № 10. - С. 933-936.

153. Pavelyev, V. Diamond diffractive optical elements for infrared laser beam control /V.S. Pavelyev, V.A. Soifer, D.L. Golovashkin, V.V. Kononenko, V.I. Konov, S.M. Pimenov, M. Duparre, B. Luedge// Proceedings SPIE. - 2004. - Vol. 5456. - P. 209-219.

154. Кононенко, В. Алмазная дифракционная оптика для СО2-лазеров / В.В. Кононенко, В.И. Конов, В.С. Павельев, С.М. Пименов, А.М. Прохоров, В.А. Сойфер // Квантовая электроника. - 1999. - Т. 26 (1). - С. 9.

155. Pavelyev, V.S. Soifer V.A., Kazanskiy N.L., Golovashkin D.L., Volkov A.V., Kostyuk G.F., Kononenko V.V., Konov V.I., Pimenov S.M., Komlenok M.S., Duparre M.R., Luedge B. / Proc. SPIE Int. Soc. Opt. Eng., 6290, B2900 (2006).

156. Bonse, J. Baudach S., Kruger J., Kautek W., Lenzner M. Appl. Phys. A: Mater. Sci. Proces., 74 (1), 19 (2002).

157. *Pavelyev, V.S. Fabrication of high-effective silicon diffractive optics for the terahertz range by femtosecond laser ablation /V.S. Pavelyev, M.S. Komlenokc, B.O. Volodkin, B.A. Knyazev, T.V. Kononenko, V.I. Konov, V.A. Soifer, Yu.Yu. Choporovae// Physics Procedia.- 2016. - 84. - P. 170 - 174.

ПРИЛОЖЕНИЕ

ИЗГОТОВЛЕНИЕ КРЕМНИЕВОЙ СИЛОВОЙ ДИФРАКЦИОННОЙ ОПТИКИ ТЕРАГЕРЦОВОГО ДИАПАЗОНА МЕТОДОМ ФЕМТОСЕКУНДНОЙ АБЛЯЦИИ

Все дифракционные элементы терагерцового диапазона, результаты исследования которых приведены в [61*,80*-94*], изготовлены методом литографического травления кремниевой подложки. Такой подход обладает недостатками: изготовление многоуровневых элементов методом литографического травления требует дорогостоящей и достаточно сложной процедуры совмещения фотошаблонов [60], а бинарные (двухуровневые) элементы имеют ограниченную энергетическую эффективность [59]. В [152*] приведены первые результаты применения фемтосекундной лазерной абляции для формирования многоуровневого дифракционного рельефа линзы терагерцового диапазона (рабочая длина волны А=141 мкм) на поверхности кремниевой подложки. Ранее в [153] подход, основанный на лазерной абляции поверхности подложки, применялся для изготовления силовой дифракционной оптики ИК диапазона на алмазных пластинах. Отметим, что лазерная абляция позволяет формировать многоуровневый дифракционный микрорельеф не за счет применения дорогостоящего комплекта фотошаблонов, а с помощью варьирования параметров лазерного излучения и использования трансляционного стола для передвижения образца [153,154,155]. Основной сложностью при использовании абляции для формирования четырехуровневого дифракционного микрорельефа терагерцового диапазона на поверхности кремниевой пластины в [152*] являлась необходимость создания глубокого, до 43.6 мкм (что для длины волны А=141 мкм соответствовало изменению фазы на 3л/2), рельефа с гладким дном, так как в процессе лазерной абляции с ростом глубины профиля происходит развитие шероховатости в зоне облучения. С целью минимизации шероховатости в [152*] применен лазер с фемтосекундной длительностью импульса, в отличие от работ по созданию алмазных ДОЭ, в

которых использовался эксимерный наносекундный лазер [153,154,155]. Для повышения скорости лазерной обработки выбран режим работы с повышенной (до 200 кГц) частотой следования импульсов £ соответственно, большой средней мощностью (до 30 Вт), причем в каждом импульсе интенсивность сфокусированного излучения была достаточно высока для испарения кремния. Тестирование дифракционного элемента, изготовленного методом лазерной абляции, проводилось на рабочей станции Новосибирского лазера на свободных электронах (НОВОФЭЛ) [45].

Как и в работах [84*-87*] терагерцового диапазона, работающих с высокоэнергетическими пучками (например, с излучением НОВОФЭЛ), в качестве исходного материала целесообразно использовать нелегированный высокоомный кремний [61*,84*]. В настоящей работе была использована подложка из высокоомного кремния диаметром 30 мм и толщиной 1 мм с двухсторонней полировкой оптического качества. Расчетная высота микрорельефа дифракционной линзы определяется в [59]

Фазовая функция линзы [59]

(П.1)

в [152*,157*] приводилась к диапазону [0, 2п]

Кусочно-непрерывная фазовая функция, получившаяся в результате приведения функции (П.1) к диапазону [0, 2п], в [152*] заменялась ее ступенчатой четырехуровневой аппроксимацией (квантовалась по четырем уровням [59]). Для расчета использовались следующие параметры линзы: диаметр апертуры 0=30 мм, рабочая длина волны А=141 мкм, фокусное расстояние /=120 мм, радиальный шаг дискретизации фазовой функции 250 мкм; число уровней квантования микрорельефа равнялось четырем. Четырехуровневый микрорельеф был реализован на поверхности кремниевой пластины с помощью метода лазерной абляции. Структурирование

высокоомного кремния осуществлялось дисковым Yb : YAG-лазером (Л = 1030 нм, t = 400 фс, f = 200 кГц). Распределение энергии на поверхности образца было гауссовым (диаметр по уровню 1/е составлял примерно 10 мкм),

л

максимальная плотность энергии в импульсе была равна 15 Дж/см и значительно превышала порог абляции (~0.5 Дж/см ). Выбор высокой плотности энергии был обусловлен необходимостью удаления большого объема материала. Для создания четырехуровневой линзы Френеля требовалось профилирование поверхности в форме концентрических колец шириной 250 мкм различных глубин - 14.5, 29.1 и 43.6 мкм, соответствующих значениям фазовой функции линзы 3п/2, п и п/2.

Рисунок П.1 - Схема лазерного облучения (Л= 1030 нм, 1 = 400 фс, f = 200 кГц) кремниевой пластины для формирования заданного микрорельефа на поверхности.

Рисунок П.2 - Фотография изготовленной кремниевой четырехуровневой линзы Френеля.

Образец был закреплен на вращающемся диске, ось которого перемещалась вверх-вниз с помощью трансляционного стола (рисунок П.1). Глубина профиля варьировалась путем изменения числа проходов. Фотография изготовленной линзы представлена на рисунке П.2.

Сформированный в [152*] микрорельеф обладал развитой топологией поверхности и относительно большим перепадом высот, что исключало использование для измерения высоты полученного рельефа интерферометрии бело го света и сканирующей зондовой микроскопии. Для измерения высоты дифракционного микрорельефа скол изготовленной линзы рассматривался с помощью растрового электронного микроскопа (РЭМ) (FEI Quanta 200) (рисунок П.3).

Рисунок П.3 - РЭМ-изображение фрагмента скола линзы (соответствует расчетному перепаду высот 43.6 мкм

Результаты электронной микроскопии показывают, что использование метода лазерной абляции позволяет реализовать заданную высоту дифракционного микрорельефа с достаточно высокой точностью. Вместе с тем, стоит отметить значительную шероховатость обработанной поверхности и наличие углубления вблизи края ступени, которое объясняется замедлением трансляционного стола при смене направления движения. Размер шероховатости увеличивался с ростом глубины профиля и составил около 5 мкм при максимальной глубине 43.6 мкм.

Тестирование четырехуровневой кремниевой линзы Френеля, изготовленной методом лазерной абляции, производилось на новосибирском лазере на свободных электронах НОВОФЭЛ на длине волны 141 мкм. Экспериментально полученное значение энергетической эффективности составило е=35.9 %. Результаты натурного исследования [152*] изготовленной

четырехуровневой дифракционной линзы находятся в хорошем соответствии с результатами численного моделирования, произведенного с учетом френелевских потерь на отражение.

На рисунке П.4 изображена схема эксперимента [152*], в ходе которого излучение ЛСЭ с длиной волны А=141 мкм освещало изготовленную кремниевую четырехуровневую дифракционную линзу. Для измерения распределения интенсивности вдоль оптической оси использовался матричный микроболометрический приемник (ММБП) 320x240, который позволяет снимать как видео, так и отдельные кадры [56]. Физический размер ММБП равен 16 х 12 мм , размер одного пикселя матрицы составляет 50 мкм. ММБП был помещен на моторизированную подвижку и перемещался вдоль оптической оси на расстояние 100 - 165 мм от ДОЭ. Измеренное осевое распределение интенсивности, формируемое изготовленной линзой, представлено на рисунке П.5.

Рисунок П.4 - Оптическая схема установки для тестирования дифракционной линзы

Смещение фокальной плоскости на 5 мм вдоль оптической оси объясняется, видимо, отклонением волнового фронта освещающего пучка от плоского. На рисунке П. 6 приведены трехмерные распределения интенсивности в плоскостях, отстоящих от плоскости установки дифракционной линзы на

Матричный микроболометрический

линза

Моторизованная подвижка

расстояния 115, 125 и 135 мм. Отметим сохранение гауссовой формы сфокусированного пучка.

500

125 мм

Ё 400

о

в 300

1

£ 250

| 200

\

\

50 —иР

а

о

100 110 120 !?0 140 150 160

Расстояние (мм)

Рисунок П.5 - Измеренное распределение интенсивности вдоль оптической оси. Точки соответствуют экспериментально измеренным значениям, вертикальной линией отмечен максимум мощности пучка в плоскости, находящейся на расстоянии ~125 мм от дифракционной линзы.

Измеренная в ходе эксперимента энергетическая эффективность линзы составила 35.9 %. Оценка потерь на френелевское отражение в кремниевой пластине (показатель преломления кремния п = 3.42) составляет около 51 % от энергии исходного пучка. Таким образом, при нанесении антиотражающего покрытия энергетическая эффективность элемента может быть в принципе повышена почти до 75 %, что неплохо согласуется с теоретической оценкой 81 % [59]. Некоторое снижение энергетической эффективности объясняется, видимо, рассеянием на неоднородностях, образующихся при обработке поверхности кремния лазерными импульсами с высокой плотностью энергии. Известно, что использование плотности энергии, значительно превышающей порог абляции кремния, приводит к образованию на поверхности вулканообразных структур [156]. Поэтому одним из способов повышения энергетической эффективности является оптимизация условий лазерной обработки образца.

Рисунок П.6 - Трехмерные распределения интенсивности в плоскостях, отстоящих от плоскости установки линзы на расстояния 115 (а), 125 (б) и 135 мм (в).

Другой подоход к повышению энергетической эффективности заключается в уменьшении френелевских потерь на отражение, для чего на кремниевые ДОЭ терагерцового диапазона может наноситься двустороннее антиотражающее покрытие из парилена [61*, 84*]. Ранее парилен в качестве антиотражающего покрытия был использован в работах [96,97]. В [61*] экспериментально показано, что нанесение двустороннего антиотражающего покрытия на кремниевые ДОЭ терагерцового диапазона позволяет снизить френелевские потери до пренебрежимо малых значений. Таким образом, разработка и совершенствование метода формирования многоуровневого дифракционного микрорельефа совместно с последующим нанесением антиотражающего покрытия позволит в перспективе решить задачу создания высокоэффективной многофункциональной оптики для управления мощными пучками излучения терагерцового лазера. Проведенные в [152*, 157*] эксперименты показали целесообразность применения метода лазерной абляции кремниевой поверхности для создания эффективных многоуровневых ДОЭ терагерцового диапазона.

Совершенствование предлагаемого в [152*,157*] метода формирования кремниевого микрорельефа, в частности, увеличение числа уровней квантования, снижение шероховатости поверхности микрорельефа, отработка нанесения антиотражающего покрытия, позволит в перспективе повысить

энергетическую эффективность кремниевых ДОЭ, предназначенных для управления мощными пучками излучения терагерцового лазера, по сравнению с результатами, приведенными в [61*,84*,85*,86*,152*,157*].