Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ

фемтосекундная оптика и фемтотехнологии

Методические материалы

к экспериментальному практикуму

Санкт-Петербург

2012

СОДЕРЖАНИЕ

Министерство образования и науки Российской Федерации 1

Федеральное агентство по образованию 1

Терагерцовый спектрометр и проведение спектральных исследований объектов для медицины и систем безопасности 7

9

Терагерцовый рефлектометр и измерение спектров отражения от объектов для медицины и систем безопасности 12

Терагерцовый фотометр TP-1 и исследование материалов и веществ для медицины, систем безопасности, таможни и экологии

Цель работы: изучить принципы работы терагерцового фотометра TP-1 и исследовать с его помощью предложенных образцов.

Объект исследования: терагерцовый фотометр TP-1.

Задачи, решаемые в работе:

1. Ознакомиться с принципом работы и конструкционными особенностями терагерцового фотометра TP-1.

2. Измерить с помощью фотометра пропускание образцов в области 0,1 ÷ 2 ТГц и показать практическое использование данного устройства.

СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ

Генерация фотопроводящими антеннами

Одним из первых был реализован метод генерации фотопроводящей антенной при облучении фемтосекундными импульсами. Эффект генерации электромагнитного излучения поверхностью полупроводника, которая и является фотопроводящей антенной, при возбуждении его сверхкороткими фемтосекундными импульсами объясняется динамикой образования фотоносителей – электронно-дырочных пар и их сверхбыстрым движением в приложенном или приповерхностном электрическом поле. Согласно уравнениям Максвелла, возникающий при этом ток J(t) вызывает генерацию электромагнитного импульса E(t) ~ J/t, обычно в виде одного колебания со спектром, определяемым Фурье- преобразованием его временной формы. Таким образом, поверхность полупроводника работает как динамическая фотопроводящая антенна, излучающая импульсы широкополосного электромагнитного излучения длительностью в сотни фемтосекунд. Центральная частота генерации в фотополупроводниках, как правило, находится в районе 1 ÷ 2 ТГц. В качестве генераторов терагерцового излучения широко используются полупроводниковые кристаллы GaAs, InP и InAs. Для увеличения эффективности терагерцового излучения образцы кристаллов помещаются в сильные электрические или магнитные поля. Следует отметить, что, согласно модели, интенсивность терагерцового излучения пропорциональна временным производным от концентрации электронно-дырочных пар и их скорости движения в электрическом или магнитном поле, которая определяется подвижностью носителей заряда. Одним из наиболее высоких значений подвижности электронов ~ 310⁴ см²/Вс обладают нелегированные кристаллы арсенида индия InAs, и именно на них достигнута в настоящее время наибольшая эффективность преобразования.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Излучение фемтосекундного эрбиевого волоконного лазера (см. рис. 1-2) фокусируется линзой на поверхность полупроводника InAs, помещенного в центр магнитной системы. Генерируемое терагерцовое излучение коллимируется параболическим зеркалом, селектируется от излучения накачки фильтром и фокусируется на вход детектора ТГц излучения, который представляет собой опто-акустический приемник (ОАП, ячейка Голея). Исследуемый образец располагается на 2-х координатном столике с шагом перемещения 100 мкм и помещается перед входом ОАП. Для увеличения отношения сигнал/шум используется синхронный усилитель с оптико-механическим модулятором. Обработка сигнала производится на компьютере с использованием специальных программ.

Рис. 1. Блок-схема терагерцового фотометра ТP-1: З1, З2 – зеркала, Л – линза, ОММ – механический модулятор, М – магнит, ПЗ1, ПЗ2 – параболические зеркала, Ф – фильтр, ОАП – оптико-акустический приемник, СУ – синхронный усилитель, PC – компьютер

Рис.2. Внешний вид терагерцового фотометра TP-1

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Запустить лабораторный макет терагерцового фотометра, согласно порядку включения.

2. На ПК запустить программу для управления лабораторным макетом терагерцового фотометра.

3. Измерить с помощью калориметра мощность излучения лазера, падающего на кристалл InAs, записать показания.

4. Измерить интенсивность I₀ терагерцового излучения без образца, либо с референсным образцом.

5. Измерить интенсивность I₁ терагерцового излучения, прошедшего через исследуемый образец.

6. Данные занести в таблицу и показать преподавателю.

Формула. Формула перевода значений прибора в абсолютные значения мощности сигнала ТГц (U, в отн.ед.  Р, в мкВт)

,

где 58 – значение оптической чувствительности ОАП для частоты 13 Гц.

Таблица. Данные для анализа спектральных и энергетических характеристик фемтосекундного лазера

Образец	U0, отн.ед.	U, отн.ед.	Р0, мкВт	Р, мкВт	Пропускание, %

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

1. Вычислить пропускание исследованных образцов, используя формулу.

2. Сравнить пропускание образцов и сделать выводы о применимости терагерцового излучения для медицины, систем безопасности, таможни и экологии.

Терагерцовый спектрометр и проведение спектральных исследований объектов для медицины и систем безопасности

Цель работы: изучить принципы работы терагерцового спектрометра и получить с его помощью спектры поглощения предложенных образцов.

Объект исследования: терагерцовый спектрометр.

Задачи, решаемые в работе:

1. Ознакомиться с принципом работы и конструкционными особенностями терагерцового спектрометра.

2. Измерить спектры поглощения образцов в области 0,1 ÷ 2 ТГц и показать практическое использование данного устройства.

СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ

Развитие источников терагерцового излучения с высокой спектральной чувствительностью и высоким разрешением позволило создать новые технологии в военной отрасли и системах безопасности, а так же в биологии, химии и медицине. Уникальные свойства данного излучения заключаются в том, что в этом диапазоне находится значительная часть колебательно-вращательного спектра воды и многих органических молекул, в том числе биологически активных макромолекул (белков и нуклеиновых кислот), а так же частоты межмолекулярных взаимодействий. В связи с этим работы, посвященные применению ТГц излучения, в основном связаны с разработкой методов спектральных исследований молекул в дальнем ИК диапазоне спектра, где наблюдается большое число линий поглощения. Было показано, что сложные биологические молекулы, в том числе ДНК и РНК, так же имеют поглощение в терагерцовом диапазоне частот. Большой спектр работ посвящен изучению возможности применения терагерцовой техники для медицинской визуализации, в том числе для диагностики кожных, онкологических, сердечно-сосудистых заболеваний и заболеваний зубов.

Спектроскопические исследования возможны с применением схемы генерации терагерцового излучения на фотопроводящей антенне, описанной в предыдущей лабораторной работе. Такая схема помимо генерации может быть также использована для детектирования сигнала, прошедшего или отраженного от объекта. Для этого в оптической схеме лазерный пучок от фемтосекундного лазера разделяется на пробный пучок и пучок накачки. Пучок накачки, пройдя через моторизированную линию оптической задержки, попадает на полупроводниковый кристалл полупроводниковый кристалл арсенида индия и помещенный в постоянное магнитное поле, являющийся генератором терагерцового излучения. Описание данного эффекта приведено в предыдущей лабораторной работе. Генерируемое терагерцовое излучение в данной схеме распространяется только в направлении, соответствующему углу отражения от полупроводникового кристалла, поскольку полупроводниковый кристалл непрозрачен в терагерцовой области спектра. Полупроводниковый кристалл размещается в центре цилиндра на его оси с таким расчетом, чтобы излучение накачки падало на него через одно отверстие, а отраженное терагерцовое излучение выходило через другое.

Генерируемое терагерцовое излучение коллимируется внеосевым параболическим зеркалом, после чего попадает на фильтр из тефлона, отсекающий диапазон длин волн меньших 50 мкм, во избежание прохождения в дальнейший измерительный тракт мощного лазерного пучка, а также на терагерцовый поляризатор, выделяющий горизонтальную составляющую. Поляризованное излучение проходит сквозь объект, обладающий некоторым амплитудно-фазовым пропусканием, и при прохождении сквозь него происходит дифракция терагерцового излучения. Далее, излучение фокусируется параболическим зеркалом на электрооптический детектор кристалл теллурита кадмия. При попадании одновременно пробного пучка фемтосекундного излучения и пучка терагерцового излучения на электрооптический кристалл, терагерцовый импульс в кристалле наводит двулучепреломление для пробного пучка, вследствие электрооптического эффекта.

Величина двулучепреломления прямо пропорциональна напряженности электрического поля терагерцовой волны в данной временной точке E(t). С помощью линии оптической задержки изменяется время пересечения терагерцового импульса и импульса пробного пучка в кристалле, и дальнейшая схема проводит измерение наведенного двулучепреломления. Схема измерения двулучепреломления состоит из четвертьволновой пластины, призмы Волластона, балансного фотодетектора и синхронного усилителя, управляемого от оптико-механического модулятора, помещенного в пучок накачки. Работа схемы происходит следующим образом: в отсутствие терагерцового излучения пробный пучок не испытывает двулучепреломления, и после прохождения четвертьволновой пластины, превращающий горизонтальную поляризацию пучка в круговую, и призмы Волластона разделяется на два пучка с ортогональными поляризациями одинаковой интенсивности. Регистрируется сигнал рассогласования. При изменении полярности терагерцового импульса меняется знак двулучепреломления, что соответственно вызывает изменение полярности сигнала с фотодетектора. Таким образом, измеряя при различных задержках сигнал рассогласования, измеряется зависимость амплитуды терагерцового излучения от времени E(t). Для увеличения соотношения сигнал-шум в схеме используется синхронный усилитель. Отфильтрованный и усиленный сигнал передается в компьютер посредством цифрового вольтметра.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Терагерцовый спектрометр

Для измерения спектров пропускания частот в диапазоне 0,1 ТГц – 2 ТГц от объектов используется данный макет терагерцового спектрографа (рис. 3).

Рис. 3. Терагерцовый спектрометр

Его схема приведена на рис. 4. Основные характеристики спектрометра приведены в табл. 1. В основе работы терагерцового спектрографа, как уже описывалось, заложен принцип записи распределения электрической компоненты поля до и после прохождения образцов. Спектр терагерцового излучения восстанавливается с помощью вычисления интеграла Фурье по записанным данным.

Рис. 4. Схема терагерцового спектрометра. FL-1 – фемтосекундный Yb:KYW лазер Solar FL-1, З1, З2, З3 – зеркала, СД – делитель пучка, Г – призма Глана, К – телескоп-рефрактор, ЛЗ – оптическая линия задержки, ОММ – оптико-механический модулятор, InAs – полупроводниковый кристалл, М – магнит, ПЗ1, ПЗ2 – параболические зеркала, Ф – фильтр, П – поляризатор, Л1, Л2 – линзы, Об – объект исследования, CdTe – электрооптический кристалл, λ/4 – фазосдвигающая пластина, Вол – призма Волластона, БД – балансный детектор, СУ – синхронный усилитель, PC – персональный компьютер.

В нашей лаборатории в среде разработки LabView создан виртуальный прибор, управляющий задержкой и процессом измерения и позволяющий осуществлять съемку временного профиля терагерцового импульса, и на дисплее компьютера рисуется кривая E(t) терагерцового излучения. Создан также второй программный пакет, который производил расчет спектра излучения с помощью Фурье-преобразования временной формы измеренного импульса. Модуль разницы между референсным спектром и спектром образца, разделенный на референсный спектр, определяет спектр пропускания образца.

Таблица 1. Основные характеристики спектрометра.

	Спектрограф TS-5
Средняя мощность ТГц излучения, мкВт	48 ± 4
Мощность импульса, мВт	213 ± 17
Длительность импульса, пс	3
Энергия импульса, фДж	639 ± 51
Спектральный диапазон, ТГц	0,05÷2,0
Отношение сигнал/шум в спектре	100
Погрешность определения пропускания, %	2,5
Спектральное разрешение, ГГц; на частоте, ТГц	4,5	0,116
	5,0	0,189
	5,5	0,411
	5,0	0,554
	3,5	0,559
	4,5	0,75
	2,5	0,989
	3,0	1,101
Частота повторения, МГц	75
Частота модуляции, Гц	433

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Запустить лабораторный макет терагерцового спектрометра, согласно порядку включения.

2. На ПК запустить программу для управления лабораторным макетом терагерцового спектрометра.

3. Произвести измерение интенсивности терагерцового излучения без образца согласно приложению 1.

4. Образец поместить на 3-х координатный столик в область измерения, расположив его поверхность нормально к направлению распространения излучения.

5. Произвести измерение пропускания образца.

6. Произвести обработку полученных данных согласно приложению 1.

7. Полученные спектры занести в отчет и показать преподавателю

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

1. Вычислить спектры пропускания исследованных образцов, используя программные пакет (приложение 1).

2. Определить характерные частоты с пиками поглощения для измеренных образцов и сделать выводы о применимости терагерцового излучения для медицины и систем безопасности.