Аннотация результатов, полученных в 2019 году
1 Рассчитан, изготовлен и исследован методами численного моделирования и оптического эксперимента дифракционный оптический элемент с субволновым микрорельефом, предназначенный для возбуждения поверхностных плазмон-поляритонов терагерцового диапазона в металлическом волноводе с помощью одновременного управления поперечно-модовым составом пучка и поляризационным состоянием излучения. Элемент представляет собой субволновый аксикон (период микрорельефа – 60 мкм, высота микрорельефа – 50 мкм, элемент исследовался на длинах волн 128,7 мкм и 141 мкм освещающего пучка лазера на свободных электронах). Диаметр апертуры изготовленного элемента – 50 мм. Материал подложки – высокоомный кремний зонной плавки. Для формирования субволнового микрорельефа на поверхности подложки оптического качества использовалась технология плазмохимического травления (Бош-процесс), позволяющая получать микрорельеф с заданными параметрами. Изготовленный дифракционный микрорельеф был исследован методами интерферометрии белого света и электронной микроскопии. Методами численного моделирования (работа элемента моделировалась в рамках строгой теории света) и оптического эксперимента (измерялось распределение интенсивности в сечении формирующегося пучка и исследовалось поляризационное состояние пучка) показано, что изготовленный элемент с субволновым микрорельефом позволяет формировать цилиндрически-поляризованный пучок с распределением интенсивности, близким к распределению в сечении бесселева пучка (в форме тора), из освещающего линейно- поляризованного гауссова пучка. Таким образом, изготовленный элемент может быть использован для эффективного возбуждения плазмонного волновода (ранее было показано, что пучок такой поперечной структуры и поляризационного состояния необходим для эффективного возбуждения плазмонного волновода). Создание первого кремниевого элемента, способного формировать пучок терагерцового излучения (в том числе мощного, кремний обладает высокой лучевой стойкостью) с заданным поперечно-модовым составом и заданным поляризационным состоянием, представляет также интерес для лидарных и телекоммуникационных приложений, так как управление поперечно-модовым составом и поляризационным состоянием пучка позволяет повысить устойчивость пучка к неоднородностям среды. Кроме задачи одновременного управления поперечно-модовым составом и поляризационным состоянием формируемого пучка, другой актуальной задачей является разработка методов управления поперечно-модовым составом пучка (в том числе формирования пучка с орбитальным угловым моментом) в режиме реального времени. Экспериментально исследованы пучки, состоящие из мод с одинаковыми по модулю, но противоположными по знаку топологическими зарядами (-1 и +1, -2 и +2). Формирование многомодового пучка с орбитальным угловым моментом с заданным поперечно-модовым составом осуществлялось с помощью интерферометра, в разные плечи которого устанавливались элементы, предназначенные для преобразования пучка лазера на свободных электронах в пучки с орбитальным угловым моментом заданного топологического заряда. Экспериментально исследована устойчивость терагерцового бесселева пучка, сформированного с помощью элемента кремниевой оптики, к возмущениям при его формировании. 2. Разработана технология формирования субволновых структур на поверхности алмазных пленок (АП), основанная на применении плазмохимического травления в атмосфере кислорода и аргона. Разработанная технология была использована для формирования на поверхности алмазной пленки антиотражающей структуры со следующими параметрами: высота структуры 1,7 мкм, период структуры 3,2 мкм, ширина ступеньки - 0.8 мкм. Изготовленная структура была исследована методами микроскопии и микроинтерферометрии.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Рассчитаны, изготовлены и исследованы методами численного и натурного экспериментов кремниевые дифракционные оптические элементы, формирующие терагерцовые бесселевые пучки с орбитальным угловым моментом со значениями топологического заряда 3 и 4. Было экспериментально показано, что пучки, сформированные изготовленными элементами, обладают свойствами самовосстановления в свободном пространстве после прохождения через неоднородную среду (в качестве неоднородной среды использовались пленки из вспененного полипропилена). Рассчитаны, изготовлены и исследованы методами численного и натурного экспериментов субволновые кремниевые дифракционные оптические элементы, формирующие из освещающего линейно-поляризованного пучка лазера на свободных электронах терагерцовые пучки с радиальной поляризацией 1,2, и 3 порядка.

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
1.Рассчитан, изготовлен и исследован фокусирующий субволновый элемент терагерцовой бинарной дифракционной оптики - субволновая цилиндрическая дифракционная линза. Для расчета и моделирования субволнового элемента использовались методы строгой теории света. Для изготовления бинарного дифракционного микрорельефа были использованы технологии литографии (Бош-процесс). Изготовленный субволновый элемент исследовался методами численного и натурного экспериментов. В качестве источника излучения когерентного терагерцового излучения использовался терагерцовый новосибирский лазер на свободных электронах (НЛСЭ). Эксперимент продемонстрировал фокусирующие способности созданного элемента, экспериментальная оценка фокусного расстояния находится в хорошем соответствии с расчетным фокусным расстоянием. Результаты натурного эксперимента находятся в качественном согласовании с результатами численного эксперимента. 2.Экспериментально исследовано свойство самовосстановления бесселевых пучков с орбитальным угловым моментом (ОУМ) терагерцового диапазона в свободном пространстве после прохождения неоднородных сред для разных значений топологического заряда. Экспериментально показана возможность организации многоканальной связи с поперечно-модовой мультиплексацией на основе пучков с ОУМ в терагерцовом диапазоне в том числе в присутствии помех.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
1.Разработана методика оптимизации бинарного субволнового цилиндрического фокусирующего элемента терагерцового диапазона с учетом интерференционных эффектов в объеме кремниевой подложки элемента (для заданной толщины подложки) с целью максимизации энергетической эффективности элемента, основанная на 1) измерении реальной толщины пластины; 2) расчете энергетической эффективности кремниевого элемента с измеренной толщиной пластины в зависимости от высоты бинарного микрорельефа; 3) выборе оптимальной высоты микрорельефа. Стоит отметить, что поскольку оптимизируется лишь высота микрорельефа (а латеральная топология структура микрорельефа не меняется) для литографического изготовления элементов на пластинах разной толщины может быть использован один и тот же фотошаблон. 2. С помощью разработанной (п.1) изготовлен, исследован методами численного и натурного (для исследования микрорельефа элемента использовались методы микроскопии и микроинтерферометрии) экспериментов субволновый цилиндрический фокусирующий элемент терагерцового диапазона (рабочая длина волны 141 мкм, толщина подложки 1.13 мм). 3. Разработана методика оптимизации бинарного субволнового цилиндрического фокусирующего элемента терагерцового диапазона с учетом интерференционных эффектов в объеме кремниевой подложки элемента (для заданной толщины подложки) и нанесенного антиотражающего покрытия на заднюю поверхность элемента с целью максимизации энергетической эффективности элемента. 4. Теоретически показана возможность оптимизации и изготовления субволновых терагерцовых элементов, формирующих заданные двумерные распределения интенсивности с повышенной энергетической эффективностью. Для этого были использованы методы волновой оптики и строгой теории света, а также методы математической физики. Получены экспериментальные результаты работы субволнового фокусирующего дифракционного оптического элемента (рабочая длина волны 141 мкм) на длинах волн 197 и 207 мкм. На этапе 2022 года был опубликован обзор Yulia Choporova, Boris Knyazev , Vladimir Pavelyev, “Holography with high-power CW coherent terahertz source: optical components, imaging, and applications”, включающий результаты настоящего проекта в журнале открытого доступа Light: Advanced Manufacturing, являющимся “сестринским” журналом журнала Light: Science & Applications (Nature journal): https://www.light-am.com/article/doi/10.37188/lam.2022.031