Терагерцовый рефлектометр и измерение спектров отражения от объектов для медицины и систем безопасности
Цель работы: изучить принципы работы терагерцового рефлектометра и получить с его помощью спектры отражения для предложенных образцов.
Объект исследования: терагерцовый рефлектометр.
Задачи, решаемые в работе:
1. Ознакомиться с принципом работы и конструкционными особенностями терагерцового рефлектометра.
2. Измерить с помощью рефлектометра спектры отражения образцов в области 0,1 ÷ 2 ТГц и показать практическое использование данного устройства.
СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ
Несмотря на очевидные преимущества терагерцовой спектроскопии, зачастую получение спектра поглощения от образца представляется затруднительным. Это связано с тем, что при прохождении в образец значительная часть мощности терагерцового излучения поглощается образцом. Особенно сильно поглощение в биологических образцах, так как в терагерцовом диапазоне лежат пики поглощения воды, которая в значительной мере содержится во всех биологических образцах. Поэтому измерение спектра поглощения возможно лишь для образцов малой толщины. Однако, спектральные особенности образцов заметны как на спектрах поглощения, так и на спектрах отражения. Такие особенности могут применяться для медицинской диагностики, для биологии, а также для систем безопасности.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
Терагерцовый рефлектометр
В оптической схеме лабораторного макета терагерцового рефлетрометра (Рис. 5) лазерный луч с выхода FL-1 поступает на светоделитель пучка (1), где, он разделяется на два луча. Луч 1 распространяется по оптической схеме: система зеркал (M), электрооптический кристалл (9), ахроматическая четвертьволновая пластина (10), призма Волластона (11), и поступает на вход балансного детектора (12). Луч 2 последовательно проходит: оптико-механический модулятор (5), оптическую линию задержки (2) и поступает на вход полупроводникового кристалла InAs (3). Излучение с выхода (3) через систему двух параболических зеркал и делитель терагерцового излучения (7) падает на исследуемый образец кожи человека (6). Отражённое образцом излучение через параболическое зеркало (4) и делитель (7) падает на электрооптический кристалл CdTe (9). Схема детектирования сигнала устроена аналогично схеме терагерцового спектрографа. Основные характеристики рефлектометра приведены в табл. 2.
|
||
Рис. 5. Схема ТГц рефлектометрического томографа.
FL-1 – лазер фемтосекундных импульсов на Yb:KYW-лазер Solar FL-1; М – зеркала с R 100% при падении светового пучка под 45; 1 - светоделитель; 2 – оптическая линия задержки; 3 –полупроводниковый кристалл InAs; 4 - 45 параболические зеркала; 5 – оптико-механический модулятор; 6 – объект исследования; 7 – светоделитель ТГц излучения на основе пластины из высокоомного кремния; 8 – линза из TPX c f = 5 см; 9 – электрооптический кристалл CdTe; 10 – ахроматическая четвертьволновая пластина; 11 – призма Волластона; 12 – балансный детектор.
|
Таблица 2. Основные характеристики рефлектометра.
|
Рефлектометр |
Средняя мощность ТГц излучения, мкВт |
30 ± 3 |
Мощность импульса, мВт |
120 ± 10 |
Длительность импульса, пс |
3 |
Энергия импульса, фДж |
360 ± 30 |
Спектральный диапазон, ТГц |
0,05÷2,0 |
Отношение сигнал/шум в спектре |
100 |
Погрешность определения пропускания, % |
|
Частота повторения, МГц |
75 |
Частота модуляции, Гц |
433 |
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
Запустить лабораторный макет терагерцового рефлектометра, согласно порядку включения.
На ПК запустить программу для управления лабораторным макетом терагерцового рефлектометра.
Произвести измерение интенсивности терагерцового излучения от зеркала согласно приложению 1.
Образец поместить на 3-х координатный столик в область измерения, расположив его поверхность нормально к направлению распространения излучения.
Произвести измерение отражения образца.
Произвести обработку полученных данных согласно приложению 1.
Полученные спектры отражения занести в отчет и показать преподавателю
ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ
1. Вычислить спектры отражения исследованных образцов, используя программные пакет (приложение 1).
2. Определить характерные частоты с пиками отражения для измеренных образцов и сделать выводы о применимости терагерцового излучения для медицины и систем безопасности.
Приложение 1