Автореферат (1025279), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Результатыдиссертации использованы в Институте физики твердого тела Российскойакадемии наук, Первом Московском государственном медицинском университетеимени И.М. Сеченова, в учебном процессе кафедры лазерных и оптикоэлектронных систем МГТУ им. Н.Э. Баумана. Внедрение подтвержденосоответствующими актами.Апробация результатов работы. Основные результаты диссертациидокладывались на 18 международных научных мероприятиях, в том числе: The3rd Russia–Japan–USA Symposium on Fundamental & Applied Problems of TerahertzDevices & Technologies RJUS TeraTech-2014 (Баффало, США, 2014 г.); The 23thAnnual International Conference on Advanced Laser Technologies ALT 15 (Фаро,Португалия, 2015 г.); The 1st BRICS Conference on Photonics 2016 (Москва,Россия, 2016 г.); 17th International Conference «Laser Optics 2016» (СанктПетербург, Россия, 2016 г.).Публикации.
Основные результаты диссертации опубликованы в 24статьях в научных журналах, входящих в Перечень ВАК РФ.Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав,общих выводов и списка литературы. Материал изложен на 164 страницахмашинописного текста и содержит 55 рисунков, 4 таблицы и список литературыиз 344 источников.3СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированыцель и задачи исследования, научная новизна и практическая значимость.Приведены структура диссертации, формы апробации и реализации результатов.В первой главе на основе обзора современного состояния исследований вобласти терагерцовой спектроскопии выбран метод для спектроскопическихисследований сильно поглощающих сред и биологических тканей in vivo.Внастоящеевремясуществуетрядметодовтерагерцовыхспектроскопических исследований. К ним относятся фурье-спектроскопия,спектроскопия на основе ламп обратной волны и параметрической генерациитерагерцового излучения, спектроскопия на основе эффекта фотосмешения итерагерцовая импульсная спектроскопия.
Перечисленные методы используютразличные источники и детекторы терагерцовых волн. Для них характерныразличия в подходах к решению обратных задач, связанных с восстановлениемкомплексной диэлектрической проницаемости образца на основе анализаспектрального состава излучения после его взаимодействия с объектомисследования.НаРис. 1показанасхемавзаимодействия терагерцового излученияс поверхностью исследуемой сильнопоглощающей среды, где и – радиусвектор и вектор нормали к поверхности,̃ ( ) и ̃( ) – частотные зависимостикомплекснойдиэлектрическойпроницаемости воздуха и исследуемойсреды,– частота электромагнитногоизлучения. Из-за сильного поглощениятерагерцового излучения средой ееСхемавзаимодействияизучениеможетпроводиться Рис.
1.излучениясисключительно на основе анализа терагерцовогоспектральногосоставаизлучения, поверхностью объектарассеянного ее поверхностью.Восстановление комплексной диэлектрической проницаемости образца̃( ) осуществляется на основе сравнительного анализа комплексных амплитудпадающей ̃ ( ) и рассеянной ̃ ( ) волн, при этом измерения могутпроводиться при различных углах падения излучения на образец. Дляспектроскопических измерений образца малых размеров излучениефокусируется на его поверхности, при этом минимально достижимый размеркружка рассеяния ограничен дифракционным пределом.
При использованиисовременных широкоапертурных терагерцовых оптических систем диаметркружка рассеяния может быть сопоставим с длиной волны излучения .4Взависимостиотрегистрируемыхфизическихпараметровэлектромагнитной волны, рассеянной исследуемым объектом, различаютметоды терагерцовой спектроскопии, основанные на регистрации спектровинтенсивности или спектров комплексной амплитуды электромагнитногоизлучения. К первой группе методов относятся фурье-спектроскопия,спектроскопия на основе ламп обратной волны и параметрической генерациитерагерцового излучения; ко второй – спектроскопия на основе эффектафотосмешения и терагерцовая импульсная спектроскопия.Методы спектроскопии, предполагающие регистрацию и анализ спектровинтенсивности терагерцового излучения, для восстановления комплекснойдиэлектрической проницаемости образца требуют проведение двух независимыхизмерений.
Одно измерение направлено на регистрацию спектра амплитуд, адругое – спектра фаз излучения, прошедшего сквозь образец или отраженного отего поверхности. Восстановление диэлектрического отклика на основе данныхединственного измерений коэффициента пропускания или отражения поинтенсивности принципиально возможно и может быть выполнено сиспользованием метода интегральных преобразований Крамерса-Кронига,связывающих мнимую и действительную части комплексной диэлектрическойпроницаемости. Тем не менее данный метод не может применяться приисследованиях конденсированных сред в терагерцовом диапазоне частот, чтосвязано с сильной размытостью спектральных полос поглощения, приводящих кпоявлению краевых эффектов при выполнении интегрального преобразования.Необходимость регистрации двух сигналов образца существенно увеличиваетпродолжительность и трудоемкость измерений с использованием детекторовинтенсивности терагерцового излучения.Методытерагерцовойспектроскопии,использующиедетекторыкомплексной амплитуды терагерцового излучения, позволяют регистрироватьспектральные зависимости амплитуды и фазы электромагнитной волны ивосстанавливать на их основе диэлектрическую проницаемость образца врезультате единственного измерения.
Среди этих методов терагерцоваяимпульсная спектроскопия является наиболее широкополосной (типичныйспектральный диапазон – отдоТГц) и характеризуется сравнительновысоким спектральным разрешением (типичное разрешение –ТГц).Существующая элементная база импульсной спектроскопии позволяет создаватьпортативные оптико-электронные системы, что особенно важно при проведенииисследований сильно поглощающих сред и биологических тканей in vivo вусловиях производства и клиники.
Именно поэтому для исследованиябиологический тканей in vivo в диссертации выбран метод терагерцовойимпульсной спектроскопии.Во второй главе рассмотрены современные подходы к аналитическомуописанию и численному моделированию процесса взаимодействия терагерцовогоимпульсного излучения с диэлектрическими средами, в частности с сильнопоглощающими веществами и биологическими тканями. Показано, чтодиэлектрическая проницаемость биологических тканей в терагерцовом диапазоне5может быт описана релаксационными моделями Дебая. Учитывая дебаевскийхарактер диэлектрической дисперсии биологических тканей, в работе проведенасерия вычислительных экспериментов, направленных на изучение возможностидифференциации биологических тканей в нормальном состоянии и при наличиипатологии с помощью терагерцовой импульсной спектроскопии, причем длямоделирования использовался конечно-разностный метод численного решенияуравнений Максвелла.
Предложен оригинальный метод оценки комплекснойдиэлектрической проницаемости сильно поглощающих сред и биологическихтканей in vivo с помощью терагерцовой импульсной спектроскопии. Длявосстановления диэлектрических характеристик метод использует три сигналаимпульсного спектрометра (сигнал образца и два опорных сигнала) и учитываетконечное число импульсов-спутников во всех временных сигналах. Проведеныисследования устойчивости решения обратной задачи с помощью предложенногометода, результаты которых позволили сформулировать требования ктехническому облику комплекса для экспериментальных исследований.В большинстве случаев при проведении спектроскопических измеренийисследуемому образцу придают определенную форму.
При изученииспектральных характеристик по проходящему через образец излучению, он имеетвид плоско-параллельной пластинки. В случае спектроскопии по отраженному отобразца излучению его поверхность жестко фиксируется относительноспектрометра позади плоско-параллельного опорного окна или диафрагмы. Приразработке метода восстановления комплексной диэлектрической проницаемостив диссертации были введены ограничения на допустимую геометрию образца.Рассматривалось взаимодействие терагерцового излучения с плоско-слоистымисредами в случае его нормального падения на границы раздела.В указанном случае процессы прохождения и отражения излучения отграниц раздела описываются формулами Френеля для нормального падения̃̃ ̃̃√ ̃√ ̃√ ̃̃̃̃̃√ ̃√ ̃√ ̃√ ̃(1)̃ ( ), ̃̃ ( )и ̃̃ ( ) – комплексные амплитуды падающей,где ̃прошедшей или отраженной от границы раздела волн, ̃̃( )и ̃̃ ( )–̃ ( ) и ̃комплексная диэлектрическая проницаемость двух сред, ̃̃ ( ) – операторы пропускания и отражения.
Затухание и фазовый набег волныпри распространении в объеме среды описываются законом Бугера-ЛамбертаБера̃̃ ̃̃( )(√ ̃ )(2)̃ ( )и ̃̃ ( ) – комплексные амплитуды волн в начале координатгде ̃̃( )–и в точке , ̃̃ ( ) – диэлектрическая проницаемость среды, а ̃оператор, описывающий затухание и фазовый набег.6Рис. 2. Схема регистрации сигналовспектрометроми,терагерцовым импульснымОсновываясь на соотношениях (1) и (2), в работе предложенмногоканальный метод восстановлениякомплексной диэлектрическойпроницаемости образца.
В отличие от классических методов, использующих прирешении обратной задачи два сигнала импульсного спектрометра (сигнал образцаи опорный сигнал), в оригинальном методе используются три сигнала (сигналобразца и два опорных сигнала). Рис. 2 показывает схему регистрации сигналов,( ) – сигнал, отраженный от пустого опорного окна;( ) игде( ) – сигналы, отраженные от зеркала и образца, расположенных позадиопорного окна. Опорное окно, предназначенное для позиционирования образца вфокальной плоскости терагерцового пучка, изготовлено из высокоомногокристаллического кварца. В представленной схеме плоские зеркала (З1–З3),внеосевые параболические зеркала (ВОПЗ1, ВОПЗ2), светоделитель (Si-СД),изготовленный из высокорезистивного кремния, и полимерная терагерцоваялинза позволяют реализовать спектроскопические измерения в сфокусированномтерагерцовом пучке при его нормальном падении на границы раздела.Восстановление комплексной диэлектрической проницаемости образцаосуществляется путем минимизации функционала ошибки̃̃[]̃ ( ) и ̃где ̃передаточные функции,|| ̃ ||̃||| [̃ ][]|(3)̃ ( ) – теоретическая и экспериментальная[ ] – оператор вычисления фазы.
В отличие от7классических подходов, в которых теоретическая и экспериментальнаяпередаточные функции задаются на основе амплитудного коэффициента̃̃ ̃ , в предложенном методе она имеет следующий видотражения ̃̃̃̃∑(̃̃)̃̃̃̃∑(̃̃)̃̃(4)где индексы , , и соответствуют свободному пространству, опорному окну,зеркалу и исследуемой среде. Комплексная диэлектрическая проницаемость всехсред, исключая исследуемый образец, априорно известна. Экспериментальнаяпередаточная функция задается соотношением̃̃̃̃̃(5)Использование трех сигналов при решении обратной задачи позволяетминимизировать влияние многолучевой интерференции (минимумов в спектрахсигналов, связанных с резонансами Фабри-Перо) на точность определениядиэлектрической проницаемости.
При вычитании ̃ из ̃ и ̃ первый импульс всигналах исчезает вместе с интерференционными минимумами в фурье-спектрах̃̃ и ̃̃ . Исчезают локальные по частоте области с меньшимотношением сигнала к шуму, что приводит к повышению точности оценкикомплекснойдиэлектрическойпроницаемости.Втораяособенностьразработанного метода заключается в том, что при восстановлении комплекснойдиэлектрической проницаемости учитывается конечное число импульсовспутников, обусловленных многократными переотражениями излучения вопорном окне.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
