Диссертация (1025280), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Использование более сложных гладких фильтров [152], таких как трапециевидный фильтр, фильтры Хэммингаи Блэкмана-Харриса, позволяет исключить подобные искажения, хотя и приводит к снижению спектрального разрешения.Для измерении спектрального коэффициента пропускания терагерцового излучения образцом регистрируется две интерферограммы, одна из которых, Ir (x), соответствует излучению, прошедшему пустую кювету спектрометра, а другая, Is (x), ҫ излучению, прошедшему кювету с образцом. Спек-19тральный коэффициент пропускания по интенсивности определяется выражением:Is (ω)τ (ω) =,(1.3)Ir (ω)где Is (ω) и Ir (ω) рассчитываются на основе интерферограмм Is (x) и Ir (x) всоответствии c (1.2).Обычно для построения фурье-спектрометра используется схемаинтерферометра с делением амплитуды волны ҫ схема интерферометра Майкельсона и ее различные модификации. Распространенными источникамиизлучения в фурье-спектроскопии являются тела, нагретые до температур1200...1400 ∘ C, например, глобар (карбид кремния), штифт Нернста (оксидыциркония, тория, иттрия), нихромовая спираль, платиновая проволока скерамическим покрытием.
Для работы в дальней ИК и терагерцовой областях спектра применяют ртутные лампы низкого давления. В оптическойсистеме спектрометра преимущественно используется отражательная оптика(плоские, сферические и асферические золотые зеркала), не имеющие хроматических аберраций и позволяющие оптимизировать оптическую схемуспектрометра для работы в широком спектральном диапазоне. Светоделители для ИК излучения изготавливаются из кристаллических сред (например,KBr), а для терагерцового диапазона ҫ из тонких полимерных пленок(например, однослойного и многослойного майлара/лавсана).
В качестведетектора электромагнитного излучения применяются пироэлектрическиеприемники [154, 155], а при необходимости проведения высокочувствительных измерений ҫ болометрические детекторы, охлаждаемые до гелиевыхтемператур [156].Терагерцовая спектроскопия на лампах обратной волныТерагерцовая спектроскопии на лампах обратной волны активно развивалась во второй половине XX века. Необходимо отметить существенныйвклад в разработку данного метода исследований коллектива Института общей физики имени А.М. Прохорова Российской академии наук, г.
Москва,Россия (ИОФ РАН) [2ҫ4].Лампа обратной волны ҫ квази-монохроматический источник электромагнитного излучения гигагерцовой и терагерцовой областей спектра. Мини-20мальная рабочая частота ламп обратной волны составляет около 40ҫ50 ГГц, амаксимальная достигает 1, 4...1, 5 ТГц (без использования умножителя частоты). Рис. 1.4 (а) иллюстрирует принцип действия лампы обратной волны [1].Испускаемый нагретым катодом пучок электронов ускоряется постояннымэлектрическим полем, наведенным между катодом и анодом.
Магнитное полепостоянного магнита коллимирует пучок, сохраняя его сечение постоянным.Лампа содержит замедляющую систему ҫ периодическую металлическую решетку, установленную на пути электронного пучка. Электромагнитное полев области решетки можно рассматривать как сумму бесконечного множествамод с различными частотами, при этом фазовые скорости этих мод могутбыть направлены как в сторону движения электронов, так и в противоположном направлении.
Можно подобрать такое ускоряющее напряжение дляпучка электронов U , при котором будет обеспечен синхронизм между элек︀тронами и одной из замедленных обратных волн, ve = vgr , где ve = 2eU/m ҫфазовая скорость распространения электронного пучка, vgr ҫ групповая скорость одной из обратных волн, а e и m ҫ заряд и масса электрона. Электроны,двигаясь мимо пространственно неоднородной замедляющей системы, встречают тормозящее электрическое поле, при этом часть кинетической энергиипучка передается высокочастотному полю замедляющей системы.
Высокочастотный ток, являющийся источником электромагнитного излучения, гигагерцовых и терагерцовых частот. Электромагнитная волна выводится излампы через волновод, а частота выходного квази-монохроматического элекТГц излучениеПостоянныймагнитАнодРешетка(а)КатодПучокэлектроновЛампаобратнойволныωTHz = f(U),КоллимированныйТГц пучокОбразецВолноводСпектральнонеселективныйфотодетекторСпектризлученияI(ω) = f(U)U – напряжениепитания лампы(б)Рис. 1.4. Терагерцовая спектроскопия на лампах обратной волны:(а) ҫ принцип действия лампы обратной волны [1]; (б) ҫпринцип спектроскопических измерений с квадратичнымдетектором21тромагнитного излучения может перестраиваться за счет изменения ускоряющего напряжения U .Изготовление лампы обратной волны ҫ тонкий технологический процесс [157ҫ159]. Каждая лампа после изготовления калибруется ҫ зависимость выходной частоты электромагнитной волны от напряжения питания,ω = f (U ), измеряется и аппроксимируется полиномами.
Для задач спектроскопических исследований используются только те лампы, для которыххарактерна существенно-гладкая характеристика ω = f (U ). Типичные величины магнитного поля, ускоряющего напряжения, периода решетки замедляющей системы и температуры катода составляют 1 Тл, 6 кВт, 10 мкм и1200 ∘ С, соответственно, при этом в лампе поддерживается вакуум на уровне10−8 Торр. Терагерцовые лампы обратной волны имеют достаточно большиегабариты и массу.Принцип проведения простейших спектроскопических измерений с использованием лампы обратной волны показан на Рис. 1.4 (б).
Сначала пустаякювета спектрометра, а потом и исследуемый образец просвечивается пучкомколлимированного гигагерцового или терагерцового излучения с перестраиваемой частотой. В результате регистрируются опорная Ir (ω) и сигнальнаяIs (ω) спектральные характеристики, а спектр пропускания образца определяется в соответствии с выражениемτ (ω) =Is (ω).Ir (ω)(1.4)В качестве детектора излучения лампы используются пироэлектрическиеприемники, опто-акустические ячейки или болометры.Несмотря на высокую чувствительность терагерцовой спектроскопиина лампах обратной волны, данный метод исследований остается лабораторным, что связано в первую очередь с габаритам установки. Процессизмерений достаточно трудоемок, так как одна лампа обратной волны позволяет перестраивать частоту выходного излучения в сравнительно узкомспектральном диапазоне шириной в 0, 1...0, 2 ТГц, и для широкополосныйспектроскопических исследований необходимо проводить измерения последовательно меняя несколько ламп, перекрывающих требуемый спектральныйдиапазон.22Терагерцовая спектроскопия на основе параметрической генерацииМетоды параметрической генерации терагерцового излучения в кристаллах LiN bO2 [160ҫ165], или M gO : LiN bO3 [166ҫ172] широко применяютсядля проведения спектроскопических исследований.
Простейший параметрический источник терагерцового излучения [160] позволяет генерировать широкополосное излучение в области частот от 0, 3 до 3, 0 ТГц. Широкополосность источника, обусловленная существенным уширением лазерной линиивозбуждения, ограничивает область спектроскопических применений данного источника исключительно фурье-спектроскопией. В то же время существуют методы получения квазимонохроматической параметрической генерациив тех же кристаллах с возможностью плавной перестройки выходной частотыс использованием метода оптического параметрического осциллятора [166],либо излучения «затравки» [169].Первый подход позволяет генерировать квази-монохроматическое терагерцовое излучение путем селекции продольной моды холостой волны параметрического генератора. Для этого холостая волна, образующаяся при параметрическом распаде наряду с низкочастотной волной, помещается в резонатор [166].
Перестройка частоты генерируемого терагерцового излучения осуществляется за счет механического перемещения зеркал резонатора. Второйподход к сужению генерируемого спектра (Рис. 1.5 (а)) основан на использовании одномодового излучения затравки kseed для селекции мод холостой волны. В данном случае параметрический процесс протекает эффективнее длямоды холостой волны, соответствующей частоте «затравки» ωseed , при этомчастота выходного терагерцового излучения может перестраиваться вместе сωseed .На Рис.
1.5 (б) показан принцип проведения спектроскопическихизмерений с использованием параметрических источников. Принцип идентичен измерениям с использованием ламп обратной волны, а единственнымотличием является механизм перестройки выходной частоты источника.В отличие от спектроскопии на лампах обратной волны, позволяющейпроводить измерения в гигагерцовой и терагерцовой областях частот вплотьдо 1, 4...1, 5 ТГц, спектроскопия на основе параметрических источниковпозволяет охватывать диапазон терагерцовых частот от 0, 3 до 3, 0 ТГц.23(а)kidler ,kseedkTHzСпектральнонеселективныйфотодетекторkpumpКоллимированныйТГц пучокОбразецMgO:LiNbO3излучения затравкиПерестраиваемыйодномодовый лазерkpumpkidlerkseedωTHz = f(ωseed),ωseed – частотаNd:YAGлазерQ-типаkTHzПризмыиз SiПараметрическийТГц генераторЦилиндрическаялинзаСпектризлученияI(ω) = f(ωseed)(б)Рис.
1.5. Терагерцовая спектроскопия на параметрических источниках излучения: (а) ҫ квази-монохроматическая параметрическая генерация терагерцового излучения в кристалле M gO : LiN bO3 с перестройкой частоты за счет изменения частоты «затравки» ωseed (задающей частоты)[1]; (б) ҫ принцип спектроскопических измерений с квадратичным детекторомТерагерцовая спектроскопия на основе эффекта фотосмешенияДля проведения терагерцовых спектроскопических исследований всечаще применяется эффект фотосмешения в фотопроводящих антеннах. Длягенерации терагерцового излучения фотопроводящая антенна облучаетсясигналом биения двух близких оптических частот, разность между которыми соответствует частоте терагерцовой электромагнитной волны, ω = ω1 −ω2[173, 174].
В антенне возбуждается фототок терагерцовых частот, что приводит к генерации квази-монохроматического излучения. В качестве источников оптического излучения накачки антенны используются одномодовые диодные лазеры, частота одного из которых может перестраиваться, позволяяуправлять частотой генерируемого терагерцового излучения.Наряду с генерацией фотопроводящие антенны применяются и для когерентной регистрации терагерцовой волны в узкой спектральной полосе чувствительности детектора при ее возбуждении сигналом биения двух близкихоптических частот.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
