Диссертация (1025280), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Детектируется именно та спектральная составляющая терагерцовой волны, для которой выполняется условие ω = ω1 − ω2 . [1]. Спектральная частота чувствительности детектора может перестраиваться за счетперестройки частоты одного из оптических лазеров. Обычно оба сигнала биения ҫ сигнал накачки и пробный сигнал ҫ получаются из одного и того же24Фотопроводящаяантенна-генераторωТГц = ω1 - ω2(ωТГц = ω1 - ω2)Получениесигналабиенияыйбн кро оП пучДополнительныйлазер с волоконнымвыходом (ω3 = var)Пна у чка окчкиНепрерывный лазер с ω1волоконным выходом(ω1 = const)Непрерывный лазер с ω2волоконным выходом(ω2 = var)Вне-осевоепараболическоезеркало~ВОбразецω3AEТГц = f(i)Фотопроводящаяантенна-детекторРис.
1.6. Терагерцовая спектроскопия на эффекте фотосмешении вфотопорводящих антеннахсигнала биения за счет его деления.Принципиальная схема терагерцового спектрометра на основе фотосмешения в фотопроводящих антеннах представлена на Рис. 1.6. На схеме изображена система в волоконном исполнении, в которой оптические пучки смешиваются и подводятся к антенне-генератору и антенне-детектору с использованием элементов волоконной оптики. Для расширения спектрального рабочего диапазона системы последняя содержит один стационарный и два перестраиваемых оптических лазера, каждый из которых обеспечивает работусистемы в определенной области терагерцовых частот. Методы фотосмешения позволяют генерировать и детектировать терагерцовые волны в областичастот от 0, 1 до 3, 5 ТГц, ограничивая рабочий спектральный диапазон системы.Методы когерентного детектирования терагерцового излучения в фотопроводящих антеннах позволяют одновременно регистрировать спектрамплитуды, A (ω), и фазы, φ (ω), терагерцовой электромагнитной волны.
Именно поэтому при регистрации комплексных амплитуд опорно︀r (ω) = Ar (ω) exp (−iφr (ω)), и сигнала образца E︀s (ω) =го сигнала EAs (ω) exp (−iφs (ω)), возможно восстановление комплексного амплитудногокоэффициента пропускания образца︀s (ω) As (ω)Ee−i(φs (ω)−φr (ω)) .T︀ (ω) ==︀r (ω) Ar (ω)E(1.5)где As и Ar ҫ амплитуды сигнальной и опорной электромагнитных волн, φs25и φr ҫ фазы сигнальной и опорной электромагнитных волн.Терагерцовая импульсная спектроскопияПринцип действия терагерцовой импульсной спектроскопии основан назондировании исследуемого объекта коротким импульсом терагерцового излучения длительностью ∼ 1, 0 пс и регистрации отраженного или прошедшего через объект сигнала ҫ временной напряженности электрического полятерагерцовой электромагнитной волны E (t) ҫ с временным разрешением до∼ 10, 0...50, 0 фс.
Высокое временное разрешение удается реализовать именноблагодаря использованию ультракоротких лазерных импульсов при генерации и детектировании терагерцового излучения. В зависимости от используемых методов генерации и детектирования импульс терагерцового излучения имеет широкий частотный спектр, простирающийся от 0, 1 до 4, 0 ТГц,а иногда и до 25, 0 ТГц, что позволяет анализировать спектральные характеристики исследуемого образца, используя математический аппарат фурьеанализа [1].Для генерации и когерентного детектирования (стробирования терагерцового поля по времени) в импульсных спектрометрах применяются различные методы (Рис.
1.8 и 1.9), в частности (i) генерация и детектирование вполупроводниковых фотопроводящих антеннах, (ii) генерация и детектиирование в нелинейных оптических средах (оптическое выпрямление и электрооптическое детектирование), (iii) генерация и детектирование в газоразрядной плазме. Первые два подхода (генерация в антеннах и нелинейных средах)используются значительно чаще по сравнению с генерацией в газовом разряде и позволяют проводить спектроскопические исследования в области от 0, 1до 4, 0 ТГц. Генерация в газовом разряде характеризуется чрезвычайно широким спектром терагерцового излучения, простирающимся до 25, 0 ТГц, нопри этом имеет низкую долговременную стабильность формы и спектрального состава терагерцового импульса и не может использоваться для проведения высокоточных спектроскопических измерений.На Рис.
1.7 показана одна из наиболее распространенных схем построения терагерцового импульсного спектрометра, использующая генерацию истробирование терагерцовых импульсов в фотопроводящих антеннах, возбуждаемых ультракороткими лазерными импульсами оптического диапазо-26СветоделительФотопроводящаяантенна-генераторПучокнакачкиПробныйпучокФемтосекундныйлазерВне-осевоепараболическоезеркало~ВEТГц(t) ~ diФПА(t) / dtФотопроводящаяантенна-детекторОбразец0AxВетвьзадержкиEТГц(t) = f(i(x))Рис. 1.7.
Терагерцовая импульсная спектроскопия на фотопроводящих антеннахна. Пучок излучения фемтосекундного лазера падает на светоделитель, разделяется на две части ҫ пучок накачки и пробный пучок. Оптические импульсы пучка накачки фокусируются оптической системой на полупроводниковойподложке фотопроводящей антенны. Каждый оптический импульс участвуетв генерации соответствующего импульса терагерцового излучения. Очевидно, что частота следования терагерцовых импульсов совпадает с частотойфемтосекундных импульсов, при этом длительность оптического лазерногоимпульса много меньше длительности терагерцового импульса.Терагерцовое импульсное излучение модулируется низкочастотной огибающей за счет приложения переменного напряжения питания к обкладкамфотопроводящей антенны-генератора.
Пучок терагерцового излучения проходит через измерительную кювету спектрометра с образцом при измеренииего спектральных характеристик или через пустую измерительную кюветупри измерении опорного сигнала. Пройдя измерительную кювету, терагерцовые импульсы попадают в фотопроводящую антенну-детектор одновременнос импульсами пробного оптического пучка. Фототок, снимаемый с обкладокантенны-детектора, пропорционален напряженности терагерцового электрического поля в момент прихода в детектор пробного фемтосекундного импульса E (t = t′ ) [1]. За счет механической задержки [67] (или оптическойразвертки [175]) пробного оптического пучка относительно пучка накачки,а соответственно, и относительно терагерцового пучка, осуществляется регистрация временной зависимости напряженности терагерцового электрического поля E (t).27Импульсная спектроскопия позволяет регистрировать спектральные характеристики в широком диапазоне частот, восстанавливать одновременноспектр амплитуд и фаз терагерцовой волны.
Регистрируя опорный сигналEr (t) и сигнал образца Es (t), можно восстановить его комплексный спектральный амплитудный коэффициент пропускания+∞︀−∞T︀ (ω) = +∞︀Es (t) e−iωt dt.(1.6)Er (t) e−iωt dt−∞Ввиду ограниченности временного окна сканирования при выполненииоперации (1.6) применяются процедуры оконной фильтрации (аподизации)аналогичные фурье-спектроскопии (1.3). Спектральное разрешение импульсной системы ограничивается преимущественно размером временного окна, вкотором регистрируется сигнал, свойствами оконного фильтра и точностьюработы механической ветви задержки.
С момента своего появления [5,11] методы терагерцовой импульсной спектроскопии прошли серьезный путь развития. Современные импульсные спектрометры, в отличие от своих первыхлабораторных предшественников, зачастую громоздких, имеют малые габариты и массу [176], и могут быть использованы для решения задач прикладных исследований, для проведения измерения в условиях медицинских учреждений или промышленного производства.При исследовании сред со сложной пространственно-неоднороднойобъемной структурой сигналы импульсного спектрометра содержат эхоимпульсы, рассеянные на объемных неоднородностях образца. Поэтому,наряду с возможностью анализа спектральных характеристик, сигналыспектрометра позволяют анализировать пространственную структуру образца.Сравнительный анализ методов терагерцовых спектроскопическихисследований применительно к медицинской диагностикеОдним из важных этапов спектроскопических исследований являетсярасшифровка сигналов спектрометра и решения обратных спектроскопических задач, связанных с восстановлением спектральных характеристик об-28разца: диэлектрическихε︀ (ω) = ε′ (ω) − iε′′ (ω) ,(1.7)где ε︀ (ω) ҫ комплексная диэлектрическая проницаемость, а ε′ (ω) и ε′′ (ω) ҫ еедействительная и мнимая части, или оптическихn︀ (ω) = n (ω) − in′′ (ω)c= n (ω) − i α (ω) ,ω(1.8)где n︀ (ω) ҫ комплексный показатель преломления, n (ω) и n′′ (ω) ҫ его действительная и мнимая части, а α (ω) ҫ спектральный удельный коэффициентпоглощения амплитуды волны, причемn︀ (ω) =︀ε︀ (ω).(1.9)Если исследуемая среда не обладает дисперсией магнитной проницаемости, то есть µ (ω) = 1, 0 (данное условие выполняется для подавляющегобольшинства оптических сред), для восстановления перечисленных характеристик в ходе спектроскопических исследований необходимо измерять какамплитуду, так и фазу коэффициента пропускания (либо коэффициента отражения, если измерения коэффициента пропускания невозможно по причинесильного поглощения излучения средой, либо неподходящей формы образца).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
