ОПТИКА И СПЕКТРОСКОПИЯ, 2015, том 118, № 4, с. 582-593
^^^^^^^^^^ СПЕКТРОСКОПИЯ ^^^^^^^^
КОНДЕНСИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ
УДК 535.32+535.343.2
МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ СПЕКТРАЛЬНЫХ ОПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ОДНОРОДНОЙ СРЕДЫ С ПОМОЩЬЮ ТЕРАГЕРЦОВОЙ ИМПУЛЬСНОЙ СПЕКТРОСКОПИИ
© 2015 г. К. И. Зайцев*, А. А. Гавдуш*, С. П. Лебедев**, В. Е. Карасик*, С. О. Юрченко*
*Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана,
105005 Москва, Россия **Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, 119991 Москва, Россия E-mail: kirzay@gmail.com Поступила в редакцию 23.08.2013 г.
Окончательный вариант получен 23.09.2014 г.
Разработан алгоритм решения обратной задачи, связанной с восстановлением спектральной зависимости терагерцовых (ТГц) оптических характеристик однородной среды, имеющей вид плоскопараллельной пластинки, на основе обработки сигналов ТГц импульсного спектрометра. В отличие от существующих методов разработанный алгоритм позволяет исследовать оптические свойства диэлектрических образцов с малой толщиной (до 0.1 мм) и низким показателем преломления. ТГц спектральные оптические характеристики определяются путем минимизации функционала ошибки, построенного на основе экспериментального и теоретического комплексных коэффициентов пропускания образца, причем теоретический коэффициент пропускания построен на основе модели квази-резонатора Фабри-Перо. Проведена апробация предложенного метода, включавшая экспериментальное исследование тестовых образцов. Восстановленные ТГц оптические характеристики сравнивались с характеристиками тестовых сред, зарегистрированными с помощью ТГц спектроскопии на лампах обратной волны, что позволило оценить точность предложенного метода.
DOI: 10.7868/80030403415040236
ВВЕДЕНИЕ
Диапазон частот терагерцового (ТГц) излучения расположен между инфракрасной (ИК) и микроволновой областями электромагнитного спектра (между 0.1 и 10.0 ТГц) [1, 2]. ТГц излучение обладает рядом уникальных особенностей. Энергия ТГц кванта невелика, а следовательно, излучение является неионизирующим. Глубина проникновения ТГц излучения в диэлектрические среды составляет десятки миллиметров. Взаимодействуя с веществом, кванты ТГц излучения возбуждают либрационные и колебательные низкоэнергетические уровни молекулы, ввиду чего ТГц спектральные характеристики высокомолекулярных соединений имеют массу характерных особенностей. Перечисленные свойства делают ТГц оптотехнику уникальным инструментом для решения широкого спектра фундаментальных и прикладных задач.
Особый интерес представляют исследования диэлектрических свойств воды, водных растворов электролитов, биологических тканей в ТГц области спектра [3—5]. Вода, будучи жидкостью с
высоким дипольным моментом молекул, имеет чрезвычайно богатый спектр вращательных и колебательных степеней свободы молекулы, а соответственно, и массу особенностей ТГц спектральных характеристик, существенно меняющихся при изменениях условий окружающей среды [5—7]. На микроволновую и ТГц области шкалы электромагнитных волн приходится большая часть реликтового излучения космоса, имеющего спектральный состав, характерный для абсолютно черного тела с температурой ~3 К [8, 9]. ТГц изображающие системы и ТГц спектроскопия могут использоваться для решения задач обеспечения безопасности жизнедеятельности человека [10], для неразрушающего технологического и эксплуатационного контроля конструкционных материалов [11—14], для неинвазивной диагностики заболеваний организма человека (диагностики онкологических заболеваний кожи [15—17], груди [18, 19] и кишечника [20], диагностики ожогов человеческой кожи [21], диагностики деминерализации зубной эмали [22, 23], исследования рого-
вицы глаза [24]), а также для неразрушающих исследований объектов искусства [25, 26].
С момента первых упоминаний о ТГц электромагнитном излучении Генрихом Рубенсом, изучавшим тепловое ТГц излучение абсолютно черного тела в 1897 г. [27], а также Глагольевой-Арка-дьевой, разработавшей сравнительно мощный источник ТГц волн в 1924 г. [28], главной проблемой ТГц оптотехники является отсутствие эффективных методов генерации и детектирования ТГц волн. Несмотря на наличие успешных разработок в области ТГц элементной базы, связанных с использованием новейших материалов для создания ТГц источников, детекторов и модуляторов [29—31], данная проблема до сих пор является актуальной. Эффективность методов генерации и детектирования электромагнитного излучения, используемых в ИК и радиочастотной областях электромагнитного спектра, существенно снижается при попытке их применения в ТГц диапазоне, однако во второй половине ХХ века появилось несколько сравнительно эффективных методов генерации и детектирования ТГц излучения, основанных на принципах радиотехники. Именно они легли в основу появления двух видов ТГц спектроскопии: ТГц спектроскопии на лампах обратной волны и ТГц импульсной спектроскопии.
ТГц спектроскопия на лампах обратной волны использует перестраиваемые одночастотные источники ТГц излучения — лампы обратной волны (ЛОВ) — для исследования спектральных коэффициентов пропускания различных сред [32, 33]. Для регистрации ТГц излучения используются пироэлектрические приемники или опто-акусти-ческие ячейки Голея, а при необходимости проведения высокоточных измерений — болометры, охлаждаемые до гелиевых температур [34, 35]. К числу достоинств данного вида спектроскопии можно отнести высокую чувствительность, высокое разрешения по частоте и амплитуде спектральных характеристик, а также тот факт, что методология данного вида спектроскопии хорошо отработана. Методы высокоточного восстановления спектральных зависимостей комплексной диэлектрической проницаемости твердых и жидких веществ с помощью ЛОВ-спектроскопии разрабатывались в конце XX века [36]. К недостаткам ЛОВ-спектроскопии можно отнести громоздкость спектроскопического оборудования и трудоемкость процесса измерения спектральных характеристик в широком диапазоне частот. Каждая ЛОВ оптимизирована под определенный узкий спектральный диапазон с шириной ~ 100.0 ГГц, и для того чтобы охватить область частот от радиоволн до предельных для данного метода исследований частот 1.2—1.4 ТГц, необходимо использовать порядка десяти сменных ЛОВ.
Второй вид спектроскопии — ТГц импульсная спектроскопия — появился в 1975 г. в результате исследований, проведенных Дэвидом Аустоном и связанных с исследованием эффекта фотопереключения в полупроводнике под действием ультракоротких лазерных импульсов оптического диапазона [37]. Бурное развитие данный вид спектроскопии получил в 90-е годы XX века, что обусловлено развитием методов генерации высокостабильных фемтосекундных лазерных импульсов. Принцип действия ТГц импульсной спектроскопии предполагает зондирование исследуемого объекта коротким импульсом ТГц излучения длительностью всего 1.0—2.0 пс и регистрацию отраженного или прошедшего через объект сигнала — напряженности электрического поля ТГц электромагнитной волны — с высоким временным разрешением (~50.0 фс). Столь высокое временное разрешение удается реализовать именно благодаря использованию ультракоротких лазерных оптических импульсов при генерации и детектирования ТГц излучения. Импульс ТГц излучения имеет широкий частотный спектр, простирающийся от 0.1 до 3.0 ТГц, а иногда и до 25.0 ТГц (в зависимости от используемых методов генерации и детектирования), что позволяет анализировать спектральные характеристики исследуемого образца, используя аппарат фурье-анализа сигналов [38, 39], а также изучать внутреннюю структуру образца (ТГц томография) [40-42].
К преимуществам ТГц импульсной спектроскопии можно отнести тот факт, что спектральные характеристики среды могут быть зарегистрированы в широком диапазоне частот в результате одного измерения (не требуется перестройка длины волны излучения источника или замена источников). В результате одного измерения регистрируется не только информация о спектре амплитуды ТГц волны, но и информация о спектральной зависимости фазы ТГц сигнала. Недостатком данного вида спектроскопии является сравнительно низкая точность регистрируемых спектральных характеристик (как по частотной координате, так и по амплитуде), что связано в первую очередь с недостаточно развитой методологией спектроскопических исследований.
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Несмотря на перечисленные преимущества ТГц импульсной спектроскопии перед ЛОВ-спектроскопией (быстродействие, портативность, возможность одновременной регистрации амплитуды и фазы сигнала), задача разработки методов восстановления диэлектрических свойств среды с помощью ТГц импульсной спектроскопии является чрезвычайно актуальной и требует решения для
' 2
19
0
I
8
Ы ~ Етнх
3 -е- 4 1—-ч "V 5
— - 4 6 7 16
20 19 1 18 17 П [Ь
■•"•ТЗГ II 1ь —> \
22
21
12
13 14 5
Рис. 1. Принципиальная схема ТГц импульсного спектрометра: 1 — фемтосекундный волоконный лазер на УЬ, 2 — светоделитель, 3, 14 — линзы, 4 — фото-проводящая антенна, 5, 7 — внеосевые параболические зеркала, 6 — образец, 8—12,15,16 — плоские зеркала, 13 — поляризатор, 17—20 — электрооптический детектор ТГц поля (17 — кристалл ZnTe, 18 — четвертьволновая пластинка, 19 — призма Волластона, 20 — балансный фотодетектор), 21 — синхронный усилитель, 22 — персональный компьютер.
развития многочисленных приложении данного метода исследований.
Существующие методы решения обратной задачи, связанной с восстановлением спектральных зависимостей оптических свойств среды с помощью ТГц импульсной спектроскопии [43— 46], основаны на математической обработке двух сигналов, один из которых проходит через пустую кювету спектрометра, а другой — через кювету с образцом, имеющим вид однородной плоско-параллельной пластинки. Существенные трудности при решении данной задачи возникают в случаях, когда исследуемый образец имеет малую толщину (менее 1.0 мм) или/и низкий показатель преломления. В данном случае в сигнале спектрометра возникают импульсы-спутники, обусловленные многократными переотражениями излучения внутри образца и препятствующие точному восстановлению его спектральных
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.