Диссертация (1025280), страница 7
Текст из файла (страница 7)
Свободные носители полупроводника диффундируют во внешнем электрическом поле (фотопроводимость), либо без него (эффект Дембера, эффект приповерхностного поля полупроводника), что приводит к возникновению в среде переменного дипольного момента субпикосекундной длитель-34Фемтосекундныйлазерный импульсФотопроводящаяантеннаФотопереключениев полупровдникеГенерация вполупроводниковойэлектронно-дырочнойплазмеi(t)Сигнал биенияоптических частотФотопроводящаяантеннаФотопереключениев полупровдникеωГенерация вгазоразрядной2ωплазмеГенерация вэлектронномпучке в вакуумеи в газоразряднойплазмеПучокэлектронов впериодическомпотенциалеИмпульсноеТГц излучениеНепрерывноеТГц излучениеi(t)Фемтосекундныйлазерный импульсωГазоразряднаяплазма_eИмпульсноеТГц излучениеi(t)илиПучокэлектроновПериодический потенциалдля электронного пучкаНепрерывноеТГц излучениеi(t)Рис.
1.9. Механизмы генерации терагерцового излучения за счетускоренного движения носителей электрического заряданости, являющегося источником терагерцового электромагнитного излучения. Для генерации импульсного терагерцового излучения за счет эффектафотопереключения антенна возбуждается ультракороткими лазерными импульсами оптического диапазона, а для генерации непрерывного терагерцового излучения ҫ сигналом биения двух близких оптических частот (фотосмешение) [173, 174].
Другим методом генерации, относящимся к даннойгруппе, является генерация терагерцового излучения в газоразрядной плазме, возбуждаемой фемтосекундными лазерными импульсами, причем для генерации применяются как одночастотные фемтосекундные лазерные пучки,ω [196, 197], так и комбинированные лазерные пучки, сочетающие излучениеосновной частоты, ω, и второй гармоники, 2ω, [198], где ω ҫ круговая частотаэлектромагнитной волны. Источником сверх-широкополосного терагерцового излучения является дипольный момент, связанный с диффузией плазмыэлектронов и ионов. В лабораторных исследованиях широко применяютсятакие терагерцовые источники, как лампы обратной волны [157, 158] или лазеры на свободных электронах [199], в которых для генерации терагерцовогоизлучения используются эффекты ускоренного движения пучка электроновв периодическом потенциале.35ТГц лазерыЭлектрическая накачкаНепрерывнаяоптическая накачкаКвази-двухуровневаясхемаТрехуровневаясхемаНепрерывноеТГц излучениеE4E3E2ЧетырехуровневаясхемаhνTHzE3E2hνTHzhνTHzE2E1E1E1Рис.
1.10. Лазерная генерация терагерцового излученияПоследняя группа источников терагерцового излучения, представленная на Рис. 1.10, основана на лазерной генерации с оптической или электрической накачкой. Лазерные источники используют квази-двухуровневую,трехуровневую или четырехуровневую квантовые системы, два уровнякоторых характеризуются инверсной населенностью [200]. К числу лазерныхисточников относятся газовые лазеры на основе молекул CH3 F , CH3 OH,N H3 и CH2 F2 [201], а также квантово-каскадные лазеры [202] ҫ полупроводниковые гетероструктуры, состоящие из чередующихся слоев различныхполупроводников.
Излучение квантово-каскадного лазера возникает припереходе электронов между слоями гетероструктуры полупроводника и ихпоследующей рекомбинации. Существуют также лазерные терагерцовыегенераторы на основе германия p-типа [203, 204].Методы регистрации терагерцового излученияМетоды детектирования терагерцового излучения могут, в свою очередь, быть разделены на две группы:∙ квадратичные терагерцовые детекторы(детекторы интенсивности излучения);∙ когерентные терагенрцовые детекторы(детекторы комплексной амплитуды излучения).Квадратичные детекторы терагерцового излучения, к числу которыхотносятся охлаждаемые болометрические приемники на основе допированных Si или Ge [156], пироэлектрические приемники на основе триглицинасульфата (TGS), дейтерированного триглицин сульфата (DTGS), LiN bO3 илиBaT iO3 [154, 155] и опто-акустические приемники (ячейки Голея) [205, 206],36позволяют регистрировать среднюю мощность излучения1P ∝T︁T0|E (t)|2 dt,(1.10)где E (t) ҫ напряженность электрического поля терагерцовой электромагнитной волны, t ҫ координата времени, а T → ∞ ҫ время интегрирования.
Перечисленные квадратичные детекторы являются спектрально неселективными,то есть их спектральная чувствительность слабо изменяется с частотой. Всвою очередь, когерентные приемники терагерцового излучения позволяютрегистрировать одновременно амплитуду и фазу терагерцовой электромагнитной волны, A и φ [1]︀︀︀ (ν) = ℜ A (ν) e−iφ(ν) ,E(1.11)где ω = 2πν и ν ҫ круговая и временная частоты электромагнитной волны,либо регистрировать временной профиль напряженности терагерцового поля,E (t), путем стробирования по времени.На Рис. 1.11 схематично отражены основные методы когерентного детектирования терагерцового электромагнитного излучения.
Метод электрооптического детектирования [181, 207, 208] неразрывно связан с эффектомоптического выпрямления, используемым для генерации терагерцовых импульсов, и позволяет регистрировать напряженность электрического полятерагерцовой волны на основе эффекта Поккельса в электрооптическом кристалле [69]. При одновременном попадании в электрооптический детектор терагерцового пучка и пробного оптического пучка наведенное терагерцовымимпульсом двулучепреломления изменяет линейную поляризацию пробныхфемтосекундных лазерных импульсов на слабоэллептическую.
Анализируятрансформацию поляризации лазерного излучения при различных положениях ветви задержки пробного оптического пучка можно восстанавливатьпрофиль напряженности терагерцового электрического поля, E (t). Также когерентное детектирование терагерцового импульсного излучения может выполняться с помощью фотопроводящих антенн [1, 6]. В этом случае антенна(фотопереключатель) освещается одновременно терагерцовым импульснымизлучением и пробным оптическим пучком. Фототок, снимаемый с электро-37дов фотопроводящей антенны, пропорционален напряженности поля терагерцовой электромагнитной волны, а профиль терагерцового импульса E (t)измеряется за счет сканирования ветвью задержки пробного оптического импульса.
Фотопроводящие антенны также могут быть использованы для когерентного детектирования квази-монохроматического излучения, при этом антенна одновременно с регистрируемым терагерцовым излучением зондируется сигналом биения двух близких оптических частот, ω = ω1 − ω2 , а фототок,снимаемый с обкладок антенны, пропорционален амплитуде терагерцовогоэлектрического поля. Другой метод когерентного детектирования терагерцовых импульсов основан на эффекте генерации второй оптической гармоники,2ω, при смешении терагерцового импульсного излучения и пробного пучкафемтосекундного лазерного излучения в газоразрядной плазме [209].Как показано на Рис.
1.11, когерентная регистрация непрерывноготерагерцового излучения может выполняться с помощью эффекта фотопеНелинейныйкристаллИзмерение трансформацииполяризации импульсаΔΦ ~ ETHz(t)(2)χЭлектрооптическоестробированиеТГц импульсΔx ~ ΔtETHz(t) ~ f(Δx)ФотопроводящаяантеннаAi(t)ИзмерениефототокаСтробированиена основе эффектафотопереключенияДетектированиеимпульсногоТГц излученияi(t) ~ ETHz(t)ГазоразряднаяплазмаПробный линейно-поляризованныйоптический импульсНепрерывное ТГц излучениеΔφПробный сигнал биенияоптических частот_eИзмерение интенсивностивторой гармоникиСтробированиес использованиемгазоразрядной плазмыИзмерениефототокаФотосмешениеФотопроводящаяантеннаAi(t)i(t) ~ ETHz(t)Непрерывное ТГц излучениеГетеродинное ТГц излучениеДетектированиенепрерывногоТГц излученияИзмерение амплитудымикроволновогоДиод-фотосмесительизлучениеГетеродинноедетектированиеРис.
1.11. Методы когерентного детектирования терагерцового излучения38реключения в фотопроводящей антенне [1, 210, 211]. Для этого одновременнос пучком непрерывного терагерцового излучения фотопроводящая антенна облучается сигналом биения двух близких оптических частот, афототок, снимаемый с электродов антенны, имеет вид периодическогосигнала, амплитуда и фаза которого пропорциональны амплитуде и фазетерагерцовой волны. Существует гетеродинный метод детектированиятерагерцовых волн [1, 208, 211], основанный на смешении регистрируемоготерагерцового излучения с незначительно сдвинутым по частоте излучениемлокального осциллятора (опорного гетеродинного источника), с последующей регистрацией низкочастотных спектральных компонент сигналабиения с помощью диода Шоттки.
Данный метод зачастую применяется дляпостроения активных и пассивных терагерцовых изображающих систем [212].Выбор методов генерации и детектирования терагерцового излучения для импульсной спектроскопииСреди рассмотренных методов генерации и детектирования терагерцового излучения, основанных на нелинейных эффектах или ускоренном движении свободных зарядов среды, существует группа методов генерации идетектирования терагерцовых импульсов с использованием ультракороткихлазерных импульсов оптического диапазона [1].К методам генерации терагерцовых импульсов относятся генерация засчет эффекта оптического выпрямления (типичные средняя мощность и ширина спектра ҫ 10−6 ...10−8 Вт и 0, 1 ҫ 4, 0 ТГц) [179ҫ187], генерация в фотопроводящих антеннах (типичные средняя мощность и ширина спектра ҫ10−5 ...10−8 Вт и 0, 1 ҫ 4, 0 ТГц) [5, 6] и генерация в плазме газового разряда (типичная средняя мощность и ширина спектра ҫ 10−6 ...10−8 Вт и 0, 1ҫ 25, 0 ТГц) [196ҫ198].
К методам регистрации ҫ электрооптическое детектирование (типичный диапазон спектральной чувствительности ҫ от 0, 1 до4, 0 ТГц) [181, 207, 208], детектирование в фотопроводящих антеннах (типичный диапазон спектральной чувствительности ҫ от 0, 1 до 4, 0 ТГц) [1, 6] идетектирование в газоразрядной плазме (типичный диапазон спектральнойчувствительности ҫ от 0, 1 до 25, 0 ТГц) [209]. Все перечисленные методыиспользуются в терагерцовой импульсной спектроскопии.В таблице 2 проводится сравнение возможных пар методов генерации39и детектирования терагерцовых импульсов, выбирается оптимальная для исследования биологических тканей in vivo пара. Зеленым и красным цветомотмечены ячейки таблицы, соответствующие подходящим и не подходящимдля спектроскопии биологических тканей сочетаниям источника и детектора.Несмотря на возможные вариации технических характеристик методов генерации и детектирования терагерцовых импульсов рассматриваемая таблицапозволяет исключить из рассмотрения неиспользуемые пары генераторов идетекторов.Сочетание методов генерации или детектирования терагерцового излучения в газоразрядной плазме, характеризующихся чрезвычайно высокойширокополосностью с максимальной частотой достигающей 25, 0 ТГц, с менее широкополосными методами генерации и детектирования терагерцового излучения в нелинейных кристаллах и фотопроводящих антеннах, максимальная рабочая спектральная частота которых ограничена 3, 0..5, 0 ТГцне представляется целесообразным.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
