Детальная информация

Предмет исследования. Взаимодействие света среднего инфракрасного диапазона с метаповерхностью на основе кремниевых рассеивающих элементов на подложке из сапфира и последующее его распространение в дальнем поле. Цель работы. Разработка дизайна метаповерхности, ее изготовление и формирование с ее помощью вихревого пучка с геликоидальным волновым фронтом в средневолновом инфракрасном диапазоне с измерением профиля интенсивности преобразованного излучения. Метод. Для расчета характеристик рассеяния излучения на элементе метаповерхности применен алгоритм Finite Difference Time Domain. Для анализа пространственного спектра излучения, полученного в результате прохождения плоской волны через пластину с выбранным дизайном, применен алгоритм динамического модового разложения. Для изготовления метаповерхности использовались методы плазменного химического осаждения из паровой фазы, электронно-лучевой литографии, термического испарения, атомно-слоевого осаждения, реактивного ионного травления в индуктивно-связанной плазме, анизотропного криотравления. Основные результаты. Разработан дизайн метаповерхности для формирования лазерного пучка с геликоидальным волновым фронтом в средневолновом инфракрасном диапазоне. С помощью численного моделирования определены параметры кремниевых рассеивающих элементов на сапфировой подложке. Исследованы эффективность и характеристики пространственного спектра сконструированной метаповерхности. Установлено, что энергетическая доля вторичных гармоник уменьшается с расстоянием вдоль распространения пучка. В результате проделанной работы в среднем инфракрасном диапазоне спектра экспериментально получен вихревой пучок, имеющий кольцевое распределение интенсивности в поперечном сечении. Практическая значимость. Созданная в процессе работы метаповерхность, включая процесс ее конструирования и технологию изготовления, может представлять потенциальный интерес для использования в атмосферных оптических линиях связи на базе квантово-каскадных лазеров среднего инфракрасного диапазона спектра с мультиплексированием ортогонально-пространственных мод.

Subject of study. Interaction of mid-infrared light with a metasurface based on silicon scattering elements on a sapphire substrate and its subsequent propagation in the far field. Aim of study. Development of the metasurface design, its manufacture and formation with its help of a vortex beam with a helicoidal wavefront in the medium-wave infrared range with measurement of the intensity profile of the converted radiation. Method. The Finite Difference Time Domain algorithm is used to calculate the characteristics of radiation scattering on a metasurface element. An algorithm of dynamic mode decomposition was applied to analyze the spatial spectrum of radiation obtained as a result of the passage of a plane wave through a plate with the selected design. For the manufacture of the metasurface, the following methods were used: plasma chemical vapor deposition, electron beam lithography, thermal evaporation, atomic layer deposition, reactive ion etching in inductively coupled plasma, anisotropic cryo etching. Main results. A metasurface design has been developed for the formation of a laser beam with a helicoidal wavefront in the medium-wave infrared range. The parameters of silicon scattering elements on a sapphire substrate have been determined using numerical modeling. The efficiency and characteristics of the spatial spectrum of the constructed metasurface are investigated. It is established that the energy fraction of the secondary harmonics decreases with the distance along the beam propagation. As a result of the work done, a vortex beam with an annular intensity distribution in the cross section was experimentally obtained in the middle IR range of the spectrum. Practical significance. The metasurface created in the course of work, including the process of its design and manufacturing technology, may be of potential interest for use in atmospheric optical communication lines based on quantum cascade lasers of the mid-infrared range of the spectrum with multiplexing orthogonal spatial modes.