Автореферат (1025279), страница 3

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 3)

В выражении (4) индексы спо соответствуют различнымимпульсам-спутникам. Показано, что учет конечного числа волн-спутников() позволяет наповысить точность восстановления диэлектрическойпроницаемости по сравнению с методами, не учитывающими спутников.Проведены исследования устойчивости решения обратной задачи к рядунегативных факторов. К ним относятся шумы в сигналах спектрометра ифлуктуации пространственного положения опорного окна. Для исследованияустойчивости применялись методы численного моделирования. Задавшисьмодельными диэлектрическими характеристиками здоровой кожи человека,проводилась серия вычислительных экспериментов.

Моделировался процессрегистрации сигналов спектрометра. Задавались искажения сигналов, применялсяпредложенный метод решения обратной задачи, а результат восстановлениясравнивался с исходной моделью комплексной диэлектрической проницаемости.На Рис. 3 представлены результаты исследования устойчивости восстановлениякомплексной диэлектрической проницаемости при наличии во временныхсигналах спектрометра нормального аддитивного шума со среднеквадратическимотклонением (СКО) .8Исследование устойчивости позволило оценить предельные величиныискажений сигналов спектрометра и сформулировать требования кразрабатываемому комплексу для экспериментальных исследований.

Дляустойчивого восстановления комплексной диэлектрической проницаемостиобразца в области частот отдоТГц с СКО ошибки не более,требуется: обеспечить СКО шума во временном сигнале, не превышающее(отношение сигнала к шуму во временной области); минимизировать линейные трансляции опорного окна вдоль оптической оситерагерцового пучка до | |мкм (см. Рис. 2), что эквивалентнотрансляции временного сигнала образца на величину | |фс); обеспечить малые угловые отклонения опорного окна ()относительно положения, ортогонального оптической оси (см. Рис. 2).Рис. 3. Результаты исследования устойчивости восстановления комплекснойдиэлектрической проницаемости образца при наличии в сигналах спектрометранормального аддитивного шума: результаты восстановления(а) и(б) при; зависимости относительной спектральной плотности ошибкивосстановления (в) и (г) от9Выполнениеперечисленныхтребованийприпроектированииэкспериментального комплекса обеспечит устойчивое решение обратной задачиспектроскопических исследований.В третьей главеразработанкомплексдляэкспериментальныхисследований диэлектрических характеристик сильно поглощающих сред ибиологических тканей in vivo, реализующий многоканальный метод решенияобратной задачи.

Предложено оригинальное техническое решение проблемыпередачитерагерцовогоимпульсногоизлученияспектрометрактруднодоступным объектам исследований, основанное на использованиисапфировых терагерцовых фотонно-кристаллических волноводов. Проведенаапробация экспериментального комплекса, направленная на исследованиекомплексной диэлектрической проницаемости тканей здоровой кожи,обыкновенных и диспластических невусов in vivo.Экспериментальный компоекс построен на основе терагерцовогоимпульсного спектрометра zOmega MicroZ и включает оригинальную оснасткудля позиционирования и визуализации исследуемого образца, а такжепрограммное обеспечение, реализующее предложенный многоканальный методрешения обратной задачи.

Для генерации и когеретного детектированиятерагерцовогоимпульсногоизлучениявкомплексеиспользуютсяфотопроводящая антенна на базе низкотепературного арсенида галия (LT-GaAs) иэлектрооптический детектор на основе кристалла ZnTe. Рабочий спектральныйдиапазон системы – отдоТГц; спектральное рарешение –ТГц.Оснастка комплекса позволяет позиционировать исследуемый образец позадиопорного окна, жестко закрепленного относительно спектрометра. Задняяповерхность опорного окна совмещена с фокальной плоскостью терагерцовогопучка.

Для точного позиционирования малоразмерных образцов тканей оснасткавключает лазерный маркер, указывающий область фокусировки терагерцовогопучка, а также цифровую видеокамеру, визуализирующую поверхностьисследуемых тканей.На Рис 4 представлены сигналы,и, зарегистрированные спомощьюэкспериментальногокомплекса. Сигнал ̃ соответствуеттерагерцовому полю, отраженному оттканей здоровой кожи in vivo. Всесигналы содержат первый импульс,отраженныйотпереднейповерхности опорного окна, второйимпульс, отраженный от границраздела между опорным окном изеркалом, воздухом или исследуемойсредой, соответственно, а также Рис.

4. Сигналы,и,третий импульс – первый импульс- зарегистрированные экспериментальнымспутник.комплексом10Дляобеспеченияустойчивогорешенияобратнойзадачивэкспериментальном комплексе реализована предобработка сигналов: метод вейвлетной фильтрации позволяет враза сократить СКО шумаво временных сигналах спектрометра, а соответственно, повыситьпредельно допустимый для решения обратной задачи уровень шумовсдо; метод компенсации линейной трансляции опорного окна позволяетскомпенсировать влияние перемещения опорного окна под действиемобъекта с точностью | |фс с использованием процедуры фазовойкорреляции (найти общее для, и начало отсчета временной оси ).Допустимое угловое отклонение опорного окнаобеспечивается за счетего жесткой фиксации относительно спектрометра.Для доставки терагерцового импульсного излучения к объектуспектроскопического исследования в диссертации предложено использоватьтерагерцовые фотонно-кристаллические волноводы на основе профилированныхкристаллов сапфира, выращенных по методу Степанова.

Данный метод позволяетизготавливать профилированные кристаллы длиной болеем с заданнымпоперечным сечением и характерным размером элемента сечения домкм.Сочетание низкого поглощение терагерцового излучения сапфиром с высокимкачеством профилированных кристаллов позволяет успешно решить проблемусоздания волноводов для терагерцового импульсного излучения.Рис.

5. Результаты моделирования распространения терагерцового излучения всапфировом фотонно-кристаллическом волноводе: заивисимость коэффициентаэкстинкции интенсивности излученияот эффективного индекса модыи частоты(а); геометрия сечения кристалла (б); интенсивность различныхмод поля (в)11Для выбора структуры профилированного кристалла сапфира былапроведена серия вычислительных экспериментов. Методы вычислительнойэлектродинамики, реализованные в пакете программ Lumerical Mode Solutions,использовались для минимизации дисперсии и потерь терагерцового излучения всапфировом фотонно-кристаллическом волноводе с учетом технологическихограничений метода Степанова.

В результате расчетов выбрана структурапоперечного сечения кристалла, включающая семь полых цилиндрическихканалов, выстроенных в гексагональную фотонно-кристаллическую решетку.Результаты моделирования распространения терагерцового излучения в данномпрофилированном кристалле представлены на Рис.

5.Волновод длинойсвыбранной структурой поперечногосечения был изготовлен в Институтефизики твердого тела Российскойакадемии наук (г. Черноголовка,Россия).Дляпроведенияэкспемиентальных исследований онбылразделеннафрагментыразличной длины (см. Рис. 6).Экспериментальные исследованияраспространениятерагерцовогофотонно-кристализлучения в сапфировом волноводе Рис. 6. Сапфировыйпроводилисьспомощью лический волновод длиноймм (а) иимпульсной спектроскопии.изображение его торца (б)Входеисследованийзарегистрированотерагерцовоеимпульсное излучение на выходефрагментов волновода различнойдлины. В результате обработкиэкспериментальных данных восстановлены частотные зависимостии(см.

Рис. 7). Результатыэкспериментальных исследованийсогласуются с данными численногомоделирования.Эффективныйиндексмодыволноводанезначительноизменяетсявинтервале отдов области частот отдоТГц.Рис. 7. Результаты экспериментальногоСпектральныйкоэффициентисследования сапфирового фотонноэкстинкциидостигаеткристаллическоговолновода:минимального значения дБ/м наэффективный индекс моды(а) ичастотеТГц.спектральный коэффициент экстинкцииизлучения по интенсивности12(б)Результатытеоретическихиэкспериментальныхисследованийдемонстрируют возможность эффективной передачи терагерцового излучения спомощью разработанного волновода.

Его технические характеристикисущественно выше, чем характеристики существующих аналогов – современныхплазмонных и полимерных терагерцовых фотонно-кристаллических волноводов.Предложенный сапфировый волновод следует использовать для передачитерагерцового импульсного излучения спектрометра к труднодоступному объектуисследования.Экспериментальный комплекс был применен для исследованиятерагерцовых диэлектрических характеристик тканей кожи in vivo в нормальномсостоянии и при наличии патологии. Зарегистрированы спектральныезависимости комплексной диэлектрической проницаемости образцов здоровойкожи, обыкновенных и диспластических невусов четырех пациентов.

Образцытканей, а также результаты их предварительной диагностики предоставленыспециалистамиПервого Московского государственногомедицинскогоуниверситета имени И.М. Сеченова (г. Москва, Россия).На Рис. 8 показаны результаты спектроскопических исследований невусовпервого пациента. Частотные зависимости действительной и мнимойчастейкомплексной диэлектрической проницаемости, а также диаграммы Коула-Коула( ) являются статистически различимыми, что характерно для невусовчетырех пациентов. Результаты экспериментальных исследований показывают,что разработанный метод обеспечивает погрешность измерений, достаточную длядифференциации тканей кожи in vivo в нормальном состоянии и при наличиипатологии.Рис.

Характеристики

Список файлов диссертации