Диссертация (1025280), страница 6

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

Текст из файла (страница 6)

Среди рассмотренных методов терагерцовой спектроскопических исследований возможность одновременной регистрации амплитуды и фазы волныв результате единственного измерения дают только методы с когерентнойрегистрацией сигналов ҫ спектроскопия на фотосмешении (Рис. 1.6) и импульсная спектроскопия (Рис. 1.7). Методы, построенные на квадратичнойрегистрации сигналов, для решения данной задачи требуют проведения двухнезависимых измерений, одно из которых позволяет измерить спектр амплитуды, а другое ҫ спектр фазы коэффициента пропускания (или отражения),причем для регистрации фазовой информации спектроскопические измерения дополняются интерференционными методами регистрации.

Таким образом, проведение спектроскопических исследований с помощью терагерцовойспектроскопии на квадратичных детекторах является более трудоемкой за-29дачей.Существует подход к снижению трудоемкости измерений спектральныххарактеристик образца с помощью спектроскопии на квадратичном детектировании. Восстановление спектральных характеристик среды на основе информации только об амплитуде или фазе сигнала возможно при использовании соотношения Крамерса-Кронига [177,178], связывающего мнимую и действительную части комплексной диэлектрической проницаемости или комплексного показателя преломления. Данное соотношение часто используется для описания связи действительной и мнимой частей функции откликафизической системы, поскольку аналитичность функции отклика подразумевает, что система удовлетворяет принципу причинности. Подходы к решению обратных спектроскопических задач с использованием соотношенияКрамерса-Кронига дают качественные результаты восстановления при исследовании газов, либо при изучении конденсированных сред в видимой иИК областях спектра.

Для указанных случаев спектральные особенности диэлектрических и оптических характеристик являются достаточно локальными по частоте, а соответственно, выполнение интегрального преобразованияКрамерса-Кронига (преобразования Гильберта) в ограниченном интервалечастот не приводит к появлению краевых эффектов. При изучении конденсированных сред в гигагерцовом и терагерцовом спектральных диапазонахуширение спектральных линий существенно (ширина полос поглощения сопоставима с полной шириной рабочего спектрального диапазона).

В данномслучае применение метода интегральных преобразований Крамерса-Кронигаможет привести к некорректным результатам.В таблице 1 проводится сравнительный анализ основных методов терагерцовых спектроскопических исследований, рассматриваются наиболее важные с позиции исследования биологических тканей характеристики. Несмотря на большое разнообразие лабораторных спектроскопических установок,зачастую характеризующихся более высокими техническими характеристиками, приведенные в таблице параметры являются типичными для распространенных коммерческих спектроскопических систем и комплектующих.Поля таблицы 1 отмечены зеленым или красным цветом в зависимости оттого, удовлетворяет или не удовлетворяет рассматриваемая характеристикаособенностям терагерцовых спектроскопических исследований сильно погло-30Рабочийспектральныйдиапазон, ТГцОтносительноеспектральноеразрешение ∆ν/νСредняямощностьисточника P , ВтПродолжительностьизмерения в широкомспектральном диапазоне t, сек.ВозможностьпортативногоисполненияВозможность восстановлениядиэлектрической функциив результате одного измеренияВозможность измеренияимпульсных откликов средыво временной областиТаблица 1.Сравнительный анализ методов терагерцовойспектроскопииФурьеспектроскопия> 0, 510−3от 10−5до 10−6от 101до 102НетНетНетСпектроскопия налампах обратнойволны< 1, 510−6от 10−1до 10−4от 103до 104НетНетНетСпектроскопия напараметрическихгенераторахот 0, 3до 3, 010−3от 10−4до 10−6от 101до 102ДаНетНетСпектроскопия наосновефотосмешенияот 0, 1до 3, 010−3от 10−5до 10−8от 101до 102ДаДаНетИмпульснаяспектроскопияот 0, 1до 4, 010−3от 10−5до 10−8от 101до 102ДаДаДащающих сред и биологических тканей in vivo.Так как поглощение излучение и его рассеяние не неоднородностях тканей существенно растет с частотой, оптимальным для изучения биологических тканей является низкочастотная часть терагерцовой области спектра ҫν < 1, 5 ТГц [29ҫ31].

Рассматривая рабочие спектральные диапазоны методов, можно заключить, что для исследования биологических тканей подходятвсе методы за исключением фурье-спектроскопии. Спектроскопия биологических тканей не накладывает особых требований на спектральное разрешение31системы ввиду отсутствия узких спектральных особенностей терагерцовыххарактеристик конденсированных сред. С позиции спектрального разрешения все рассмотренные метод подходят для изучения биологических тканей,причем некоторые характеризуются избыточно высоким спектральным разрешением.Средняя мощность источников терагерцового излучения, используемыхв рассматриваемых спектроскопических методах, должна удовлетворять требованиям стандартов, лимитирующих безопасные для биологических тканейдозы терагерцового излучения [146ҫ150].

Очевидно, что мощность ламп обратной волны [159] является избыточной, а соответственно, при излучениибиологических тканей часть мощности источника придется аттенюировать.Все рассмотренные методы исследований, исключая спектроскопию на лампах обратной волны, характеризуются сравнительно малым временем измерения образца. Широкополосные спектроскопические измерения с использованием ламп обратной волны достаточно трудоемки и длительны, так кактребуют смены ламп и юстировки спектроскопической установки.Существующая элементная база позволяет создавать портативные терагерцовые спектрометры, используя принципы терагерцовой спектроскопиина параметрической генерации, терагерцовой спектроскопии на фотосмешении и терагерцовой импульсной спектроскопии, в то время как методы терагерцовой фурье-спектроскопии и терагерцовой спектроскопии на лампахобратной волны являются преимущественно лабораторными. Методы спектроскопии на эффекте фотосмешения и импульсной спектроскопии позволяют напрямую восстанавливать терагерцовые диэлектрические характеристики среды без применения метода интегральных преобразований КрамерсаКронига, что делает их наиболее подходящими для оперативного изученияобразцов биологических тканей в условиях клиники и исключает появлениеискажений связанных с выполнением интегрального преобразования.

Болеетого, метод импульсной спектроскопии наряду с изучением спектральных характеристик образца позволяет восстанавливать его импульсный отклик ианализировать рассеянные сложным пространственно-неоднородным объектом терагерцовые эхо-сигналы. Методы терагерцовой время-пролетной томографии, основанные на обработке эхо-сигналов также могут стать полезныминструментом терагерцовых исследований сильно поглощающих сред и био-32логических тканей in vivo.Таким образом, проведенный обзор и сравнительный анализ существующих методов терагерцовых спектроскопических исследований показал,что наиболее подходящим для исследований терагерцовых спектральныххарактеристик сильно поглощающих сред и биологических тканей in vivoметодом является терагерцовая импульсная спектроскопия.1.3.

Анализ методов генерации и детектирования терагерцовогоимпульсного излученияПроведем анализ существующих подходов к генерации и детектированию импульсов терагерцового излучения. Выберем методы, наиболееподходящие для построения терагерцового импульсного спектрометра винтересах исследования сильно поглощающих сред и биологических тканейin vivo.Методы генерации терагерцового излученияМетоды генерации терагерцового электромагнитного излучения в зависимости от физических принципов, лежащего в их основе, могут быть разделены на три группы [1]:∙ терагерцовая генерация в нелинейных средах;∙ терагерцовая генерация за счет ускоренного движения носителей электрического заряда;∙ терагерцовая лазерная генерация.Первая группа методов генерации терагерцовых волн использует нелинейные среды, в которых падающая электромагнитная волна претерпеваетнелинейную конверсию частоты (Рис.

1.8). К данной группе методов относится генерация в кристаллах с ненулевой нелинейно диэлектрической восприимчивостью второго порядка, χ(2) ̸= 0, а именно: метод оптического (электрооптического) выпрямления [179ҫ187] и метод генерации разностной частоты [188,189] в кристаллах ZnT e, CdT e, GaP , InP , GaAs, GaSe, LiN bO3 ,LiT aO3 или V O2 . Отметим, что для генерации широкополосного импульсного терагерцового излучения нелинейные среды возбуждаются фемтосекундными лазерными импульсами, а для генерации квази-монохроматическоготерагерцового излучения ҫ сигналом биения двух оптических частот. Также33Фемтосекундныйлазерный импульсОптическоевыпрямлениеНелинейнаяконверсия спонижениемчастотыИмпульсноеТГц излучениеГенерацияимпульсногоТГц излученияχ(2)Сигнал биенияоптических частотГенерацияразностнойчастотыНелинейнаяУмножениеконверсия сповышением микроволновыхчастотчастотыНелинейныйкристаллНелинейныйкристаллНепрерывноеТГц излучениеχ(2)МикроволновоеизлучениеДиодНепрерывноеТГц излучениеГенерациянепрерывногоТГц излученияРис.

1.8. Механизмы генерации терагерцового излучения в нелинейных средахв конце XX века активно развивались методы параметрической генерациитерагерцового излучения в кристаллах LiN bO3 [160ҫ165], M gO : LiN bO3с 5, 5 мол. % содержанием M gO [166ҫ172], периодически поляризованномLiN bO3 [190] и GaP [191, 192]. Существуют подходы, позволяющие генерировать как полихроматическое, так и квази-монохроматическое терагерцовоеизлучение с плавной перестройкой рабочей частоты. Наряду с подходами, основанными на нелинейной оптической конверсии в кристаллах, для генерациитерагерцового излучения используют нелинейную конверсию микроволнового излучения в диодах Ганна (используется существенная нелинейность ихвольт-амперных характеристик) [193].Вторая группа методов генерации терагерцового излучения используетускоренное движение носителей свободных зарядов в среде (Рис.

1.9). К данной группе можно отнести генераторы на основе эффекта фотопереключенияв полупроводнике (фотопроводимости) [5,6], эффекта Дембара [194] и диффузии зарядов в приповерхностном поле полупроводника [195]. Перечисленныеметоды предполагают облучение полупроводника фотопроводящей антеннылазерным пучком накачки, что приводит к генерации электронно-дырочныхпар.

Характеристики

Список файлов диссертации