Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Терагерцовая спектроскопия на основе одиночной частотной гребенки 17
1.1. Идея метода 18
1.2. Описание экспериментальной установки 22
1.3. (Измерения профиля поглощения набора вращательных линий флуороформа CF3H) 33
1.4. Выводы 38
Глава 2. Прецизионная терагерцовая спектроскопия на основе перестраиваемой частотной гребенки 39
2.1. Принцип работы 40
2.2. Описание экспериментальной установки 42
2.3. Измерения отдельных линий поглощения газов CF3H и OCS 46
2.4. Выводы 54
Глава 3. Терагерцовая интроскопия произведений искусства 56
3.1. Объект исследования и экспериментальные схемы зондирования 58
3.2. Двумерная интроскопия с регистрацией прошедших волн 62
3.3. Двумерная интроскопия в отражательном режиме 66
3.4. Времяпролетная томография 70
3.4. Выводы 72
Заключение 73
Список публикаций по диссертации 75
Литература
- Описание экспериментальной установки
- (Измерения профиля поглощения набора вращательных линий флуороформа CF3H)
- Описание экспериментальной установки
- Двумерная интроскопия с регистрацией прошедших волн
Описание экспериментальной установки
В данной главе предложен новый, отличающийся от стандартной TFCS, фотонно-электронный подход к терагерцовой спектроскопии на основе частотных гребенок. В этом подходе периодическая последовательность терагерцовых импульсов (имеющая спектр в виде частотной гребенки) генерируется оптическими методами – путем возбуждения фотопроводящей антенны фемтосекундными лазерными импульсами. После прохождения через исследуемый образец терагерцовая гребенка детектируется гетеродинным методом путем нелинейного смешивания с гармоникой непрерывного сигнала, полученного от синтезатора частот миллиметрового диапазона. В качестве нелинейного смесителя предлагается использовать планарный диод на основе квантовой полупроводниковой сверхрешетки, способный генерировать высокие гармоники более эффективно, чем широко используемые диоды Шоттки. В отличие от стандартной техники терагерцовой спектроскопии на основе двух частотных гребенок предложенный в данной главе метод не требует использования дорогостоящих и сложных систем с двумя синхронизованными фемтосекундными лазерами и, в то же время, сохраняет основные преимущества TFCS такие, как высокое спектральное разрешение (определяемое частотным интервалом между компонентами гребенки 100 МГц) и широкая полоса охватываемых частот (несколько сотен гигагерц).
Основные результаты главы опубликованы в работах [А1, А4, А5]. В основе предлагаемого фотонно-электронного метода терагерцовой спектроскопии с одной частотной гребенкой лежит процесс детектирования полученной оптическими методами терагерцовой гребенки путем ее гетеродинирования в радиочастотную область при смешивании в нелинейном элементе с гармониками синусоидального сигнала от синтезатора частот миллиметрового диапазона. Принцип смешивания иллюстрирует рис. 1.1. Терагерцовая частотная гребенка, которая генерируется при воздействии на фотопроводящую антенну периодической последовательностью оптических импульсов фемтосекундного лазера, представляет собой частокол эквидистантных спектральных линий (синие линии на рис. 1.1а), расстояние между которыми равно частоте повторения оптических импульсов накачки fr (обычно 100 МГц). Для детектирования терагерцовая гребенка частот nfr (n – целое число) подается на нелинейный смеситель (в нашем случае – диод на основе квантовой полупроводниковой сверхрешетки [37, 38]), на который одновременно подается синусоидальный сигнал частоты fs ( 100 ГГц) от синтезатора СВЧ частот. Сигнал синтезатора возбуждает в смесителе токи высоких гармоник mfs, m – целое (красные линии на рис. 1.1а; третья гармоника показан пунктиром, поскольку в нашем диоде генерировались только четные гармоники). Каждая из гармоник mfs может быть использована в качестве сигнала гетеродина для преобразования частот терагерцовой гребенки в радиочастотную область, как в стандартной схеме гетеродинирования [39]. А именно, спектральные линии nfr терагерцовой гребенки смешиваются в нелинейном элементе с гармониками mfs сигнала синтезатора, порождая при этом биения на разностных частотах fb = nfr – mfs (рис. 1.1б). Для терагерцовой спектроскопии интерес представляет смешивание компонент терагерцовой гребенки с теми гармониками сигнала синтезатора mfs, которые попадают в терагерцовую область частот. В результате смешивания с одной из таких гармоник получается реплика терагерцовой гребенки, перенесенная в радиодиапазон. Эту реплику можно наблюдать с помощью анализатора спектра. Характерный вид спектра при фиксированном номере гармоники сигнала синтезатора m и различных значениях n показан на рис. 1.1в. Радиочастотная гребенка состоит из двух наборов спектральных линий, отвечающих условиям nfr – mfs 0 и nfr – mfs 0.
Применение изложенного выше метода детектирования терагерцовых частотных гребенок для целей спектроскопии иллюстрирует рис. 1.2. Излученная оптически управляемой фотопроводящей антенной последовательность импульсов терагерцовых волн имеет спектр в виде эквидистантной частотной гребенки (фиолетовые и зеленые линии на рис. 1.2а). После прохождения через исследуемый образец эта последовательность импульсов несет в себе спектроскопическую информацию о линии поглощения образца, схематично изображенной черным цветом на рис. 1.2а. В результате смешивания терагерцовой гребенки с гармоникой mfs частотного синтезатора на выходе смесителя получается радиочастотная реплика терагерцовой гребенки, характерный вид которой приведен на рис. 1.2б. Измерение амплитуд тех компонент реплики (фиолетовых на рис. 1.2б), которые соответствуют спектральным линиям терагерцовой гребенки (фиолетовым на рис. 1.2а), попавшим в контур линии поглощения образца, позволяет промерить профиль линии поглощения исследуемого образца. Спектральное разрешение предложенной спектроскопической техники определяется, очевидно, спектральным интервалом между частотными компонентами терагерцовой гребенки, т.е., в конечном итоге, частотой повторения fr фемтосекундных импульсов лазера накачки. Для типичного значения fr = 100 МГц это разрешение на порядок превосходит разрешение стандартной спектроскопии во временной области THzDS.
(Измерения профиля поглощения набора вращательных линий флуороформа CF3H)
Прежде чем проводить измерения по предложенной выше схеме терагерцовой спектроскопии (рис. 1.3), нами были исследованы характеристики терагерцовых импульсов, излучаемых фотопроводящей антенной (ФА) в генерирующей части схемы на рис. 1.3. Для этой цели был применен стандартный метод терагерцовой спектроскопии во временной области (THzDS). В этом методе импульс фемтосекундного (в нашем случае, волоконного) лазера делится на импульс накачки и пробный импульс (рис. 1.7). Импульс накачки воздействует на генерирующую фотопроводящую антенну (ФА-Г на рис. 1.7) – два электрода на полупроводниковой подложке, на которые подано напряжение смещения. При освещении импульсом накачки поверхности подложки в зазоре между электродами в ней генерируются носители заряда. Возникший вследствие этого всплеск тока излучает импульс электромагнитного излучения с широким (вплоть до терагерцовых частот) спектром. Для детектирования этого излучения используется вторая (детектирующая) фотопроводящая антенна (ФА-Д на рис. 1.7). Приходящее на антенну-детектор терагерцовое излучение создает электрическое поле между электродами антенны, которое меняется во времени в соответствии с временной формой терагерцовой волны (напряжение смещения на эту антенну не подается). Пробный лазерный импульс, длительность которого мала по сравнению с периодом терагерцового излучения, генерирует носители заряда в промежутке между электродами антенны-детектора в момент времени, который определяется линией задержки (рис. 1.7). Возникающий при этом в антенне ток пропорционален значению электрического поля терагерцовой волны в этот момент времени. Изменяя время задержки, можно измерить волновую форму терагерцового излучения. Применяя к измеренной волновой форме преобразование Фурье, рассчитывается спектр терагерцового импульса. Пробный импульс Оптическаялиниязадержки Фемтосекундный лазер ъти Синхронный детектор
Импу нака ФА-Дльс чки Рис. 1.7. Принципиальная схема терагерцового спектрометра во временной области. В стандартной TDS-спектроскопии используется, как правило, механическая линия задержки с ограниченным ходом (временным окном), которая позволяет промерить волновую форму только одного терагерцового импульса. Спектр (сплошной) одиночного импульса представляет собой огибающую терагерцовой гребенки, соответствующей последовательности импульсов. Чтобы получить представление о спектральной полосе, которую занимает терагерцовая гребенка, генерируемая в нашей установке (рис. 1.3), были проведены измерения одиночного импульса по схеме на рис. 1.7 с помощью коммерческого спектрометра Tera K15 фирмы Menlo Systems GmbH (генерирующая часть этого спектрометра (рис. 1.7) как раз и использовалась в установке на рис. 1.3 для получения терагерцового излучения).
На рис. 1.8а показан результат измерения временной реализации одиночного терагерцового импульса, излученного фотопроводящей антенной. Импульс зарегистрирован во временном окне длительностью 460 пс (только часть этого окна длительностью 85,5 пс представлена на рис. 1.8a). Основная часть импульса имеет характерную биполярную форму. Соответствующий амплитудный спектр, приведенный на рис. 1.8б, является сплошным (тонкая структура в виде эквидистантной гребенки на нем, естественно, отсутствует) и простирается до 3 ТГц. Спектральное разрешение использованного метода TDS-спектроскопии обратно пропорционально величине временного окна, в котором происходит детектирование терагерцового импульса. Поскольку максимальная величина временного окна в эксперименте равнялась 460 пс, то соответствующее частотное разрешение составляет 2,2 ГГц. Узкие провалы в спектре на рис. 1.8б вызваны наличием линий поглощения в парах воды. Рис. 1.8. (а) Временная реализация и (б) амплитудный спектр одиночного терагерцового импульса, излученного фотопроводящей антенной.
После измерения параметров одиночного терагерцового импульса были проведены измерения терагерцовой гребенки по схеме на рис. 1.3. На рис. 1.9а показан выходной сигнал анализатора спектра, полученный при частоте синтезатора fs = 85 ГГц. Ширина наблюдаемого спектра и его крупномасштабная неоднородность определяются главным образом видом амплитудно-частотной характеристики усилителя (рис. 1.3), которая представлена на рис. 1.9б. Спектр на рис. 1.9а содержит множественные сигналы биений между m–ой гармоникой частоты синтезатора fs и компонентами терагерцовой гребенки с различными n (см. п. 1.1). Сигналы биений можно разделить на два набора – с частотами, удовлетворяющими условиям nfr mfs и nfr mfs. В каждом наборе частотный интервал между сигналами биений равен частоте повторения импульсов fr = 100 МГц.
Чтобы определить значение номера гармоники m на выходном спектре на рис. 1.9а, применялась следующая процедура. Рабочая частота синтезатора fs незначительно (на несколько МГц) перестраивалась, что вызывало сдвиг спектральных линий в выходном спектре. Результат деления сдвига любой из спектральных линий на величину изменения частоты синтезатора и давал значение номера гармоники m. Используя описанную процедуру, было получено, что m = 4 для спектра на рис. 1.9а. С физической точки зрения доминирование четвертой гармоники можно объяснить следующим образом. Во-первых, в силу квадратичного характера нелинейной проводимости сверхрешетки, использованной в экспериментах, смеситель на ее основе мог порождать только четные гармоники сигнала синтезатора. Во-вторых, поскольку низкочастотная (с частотами 187,5 ГГц) часть терагерцовой гребенки отфильтровывалась входным волноводом (волновод 1 на рис. 1.3 и 1.4), то сигналы биений между второй гармоникой частоты синтезатора (2fs = 170 ГГц) и компонентами терагерцовой гребенки (с частотами 187,5 ГГц) не попадали в полосу пропускания усилителя
Описание экспериментальной установки
Принцип работы предлагаемого в данной главе метода прецизионной терагерцовой спектроскопии иллюстрирует рис. 2.1. Как и в предыдущей главе, предполагаем, что терагерцовая гребенка, спектральные компоненты nfr которой (синие линии на рис. 2.1а) являются гармониками частоты следования импульсов задающего фемтосекундного лазера fr, гетеродинируется в радиочастотную область путем ее смешивания в нелинейном элементе (диоде на основе квантовой полупроводниковой сверхрешетки) с гармониками mfs непрерывного сигнала частоты fs от синтезатора СВЧ частот (красные линии на рис. 2.1а). При квадратичной нелинейности проводимости сверхрешетки (как в нашей установке, см. рис. 1.6) в смесителе генерируются только четные гармоники частоты fs, поэтому гармоника 3fs показана на рис. 2.1а штриховой линией. Результатом смешивания являются множественные сигналы биений на разностных частотах fb = nfr – mfs, где n и m – целые числа (рис. 2.1б). Для фиксированного номера m существует два набора радиочастот с числами n, отвечающими условиям nfr – mfs 0 и nfr – mfs 0, которые являются радиочастотными репликами терагерцовой гребенки (рис. 2.1в). В предлагаемом в данной главе методе для проведения спектроскопических измерений выбирается компонента терагерцовой гребенки nfr, наиболее близкая к интересующей нас спектральной линии в исследуемом образце. После этого частота синтезатора fs подстраивается таким образом, чтобы некоторая гармоника этой частоты mfs давала при смешивании с компонентой nfr сигнал биений на частоте fb, попадающей примерно в центр амплитудно-частотной характеристики усилителя на выходе смесителя (см. схему на рис. 1.3). Далее путем изменения частоты повторения лазерных импульсов (а значит, и шага терагерцовой гребенки) fr с малым шагом Dfr измеряемая спектральная линия сканируется с шагом nDfr (рис. 2.1б).
а) Терагерцовая гребенка частот (синие линии) и гармоники непрерывного сигнала (красные линии). б) Увеличенная часть рис. а) вблизи гармоники mfs. Компоненты гребенки после перестройки лазера показаны штриховыми линиями. в) Две радиочастотные реплики терагерцовой гребенки. Амплитуда Ab спектральной линии fb изменяется при перестройке частот fr и fs. того, чтобы частота биений fb оставалась при этом неизменной (это позволяет исключить искажения, связанные с неоднородностью амплитудно-частотной характеристики усилителя), в ходе сканирования одновременно перестраивается и частота гармоники mfs путем изменения частоты непрерывного сигнала синтезатора с шагом (n/m)Dfr (рис. 2.1б). Спектроскопическая информация восстанавливается из измерений (в ходе сканирования) мощности радиочастотного сигнала на частоте fb с помощью анализатора спектра (рис. 2.1в).
На рис 2.2 показана схема экспериментальной установки для реализации предложенного метода прецизионной терагерцовой спектроскопии. В качестве источника оптической частотной гребенки используется волоконный фемтосекундный лазер на эрбиевом световоде с пассивной синхронизацией мод (модель C-Fiber фирмы Menlo Systems GmbH), имеющий среднюю длину волны 1,56 мкм, длительность импульса 65 фс, среднюю мощность 30 мВт и частоту повторения импульсов 100 МГц. Особенностью данного лазера является возможность прецизионного изменения длины резонатора с помощью шагового двигателя и (более точно) пьезоактуатора. При этом частота повторения лазерных импульсов может перестраиваться на величину от 0 до 330 кГц с шагом 4 Гц (если используется двигатель) и контролироваться в пределах каждого шага с точностью 1 мкГц с помощью пьезоактуатора. С помощью фотопроводящей антенны (ФА на рис. 2.2) оптическая гребенка преобразуется в перестраиваемую электромагнитную терагерцовую гребенку. В остальном схема почти аналогична схеме спектрометра на рис. 1.3 за исключением того, что в ней для улучшения отношения сигнал-шум используется более низкочастотный усилитель с более узкой полосой 280-530 МГц. При изменении частоты повторения лазерных импульсов (и периода терагерцовой гребенки) fr с шагом 4 Гц на величину от 0 до 330 кГц частота n-ой спектральной компоненты терагерцовой гребенки будет перестраиваться с n раз большим шагом и в n раз большем интервале (см. п. 1.1). Например, частота спектральной компоненты с номером n = 4000 (400 ГГц) будет перестраиваться на величину от 0 до 1,32 ГГц с шагом 16 кГц. Таким образом, возможно сканирование интересующей нас спектральной линии в исследуемом образце с точностью 16 кГц. Для нашей экспериментальной установки, однако, такая точность перестройки является избыточной, поскольку частотная нестабильность используемого в ней синтезатора СВЧ частот составляет 20 кГц. В связи с этим в описываемых ниже экспериментах по спектроскопии вращательных линий газов CF3H и OCS шаг перестройки лазера выбирался равным 100 кГц и 50 кГц соответственно.
Ввиду принципиальности для рассматриваемого метода прецизионной спектроскопии таких свойств задающего фемтосекундного лазера, как перестройка и стабилизация частоты повторения его импульсов, опишем кратко схему реализации этих свойств (рис. 2.3). В основе схемы лежит фазовая автоподстройка десятой гармоники частоты повторения лазерных импульсов по внешнему опорному сигналу, который представляет собой сумму двух сигналов – одного с частотой 980 МГц от малошумящего осциллятора и второго с частотой 20 МГц от цифрового синтезатора DDS (direct digital synthesizer). Оба сигнала фазосинхронизированы с малошумящим кварцевым генератором с выходной частотой 10 МГц, находящимся в блоке SYNCRO. Перестройка частоты повторения на величину от 0 до 330 кГц достигается путем изменения выходной частоты синтезатора DDS с необходимым шагом
Двумерная интроскопия с регистрацией прошедших волн
При применении терагерцовой интроскопии с регистрацией отраженных волн обычно требуется дополнительная обработка полученных сигналов для того, чтобы компенсировать отклонения поверхности исследуемого образца от идеальной плоскости, перпендикулярной терагерцовому пучку. Такие отклонения имеют место вследствие кривизны поверхности образца, наличия на ней дефектов или расстройки установки [60]. В наших экспериментах применялся алгоритм, который преобразовывал все измеренные временные реализации таким образом, что первый отраженный от поверхности сигнал, т.е наиболее глубокий отрицательный пик в отраженном импульсе, всегда устанавливался на один и тот же момент времени. Это давало возможность при дальнейшей обработке вычислить ширину данного пика и исключить его из анализа, поскольку основная информация о внутренней структуре образца содержится в хвостовой части сигнала. На рис. 3.5а приведено двумерное изображение области дефекта, построенное по данным двумерной терагерцовой интроскопии с регистрацией отраженных волн. При построении в качестве информативного параметра использовалась амплитуда наибольшего положительного пика во временном окне 64-119 пс отраженного от каждой точки терагерцового импульса. Временные реализации импульсов, отраженных от некоторых точек иконы, показаны на рис. 3.5б. Данный алгоритм позволяет исключить отражение от лицевой поверхности иконы и, в то же время, учесть отражения от скрытых внутри иконы границ раздела независимо от глубины их залегания. Темные участки на изображении соответствуют областям иконы с низким отражением терагерцовых волн. Форма области с низким отражением на рис. 3.5а в целом согласуется с контурами дефекта на изображении в прошедших лучах (рис. 3.3а). Однако на рис. 3.5а форма дефекта определена более четко. В частности, в верхней части изображения на рис. 3.5а видно Рис. 3.5. a) Изображение области дефекта в отраженных терагерцовых лучах. б) Временные реализации терагерцовых импульсов, отраженных от иконы в трех точках, отмеченных на рис. а). круглое пятно (с центром в точке с координатами X 25 мм, Y 110 мм и радиусом 25 мм), которое не имеет соответствующего аналога на изображении в прошедших лучах (рис. 3.3а). Данный факт говорит о том, что скрытый дефект, скорее всего, не является естественным дефектом древесины. Другими словами, хотя присутствие сучка весьма вероятно, но возможно также, что он подвергался воздействию (на стадии изготовления иконы или позднее) и дефект в целом имеет более сложную структуру, чем простой сучок.
Чтобы понять причину более низкой отражательной способности дефектной области по сравнению с неповрежденной частью иконы, рассмотрим типичную внутреннюю структуру старинных русских икон, представленную на рис. 3.6. Деревянная основа иконы грунтуется слоем так называемого левкаса, который представляет собой смесь мела или гипса с животным клеем. Сверху наносится слой полумасляного связующего для лучшего сцепления будущего красочного слоя с загрунтованной деревянной основой. Краска наносится непосредственно на связующее. Высокая отражательная способность неповрежденных областей иконы объясняется отражением терагерцовых волн от границы левкас-древесина. Действительно, показатель преломления левкаса, который можно считать примерно равным показателю преломления гипса, т.е 1.6 [61], существенно превосходит показатель преломления древесины 1.24 (см. рис. 3.4в). В то же время естественно предположить, что показатели преломления левкаса и природной минеральной краски примерно равны друг другу. Низкая отражательная способность дефектной области может быть вызвана либо низким контрастом показателя преломления на границе раздела левкас-сучок, либо наличием полости, заполненной инородным заполнителем с более высоким, чем у древесины, показателем преломления. краска полумасляное связующее левкас древесина Рис. 3.6. Типичная внутренняя структура русских икон. 3.4. Времяпролетная томография
Для исследования внутренней структуры иконы с разрешением по глубине к полученным в отражательном режиме данным был применен времяпролетный томографический анализ. На рис. 3.7 представлена временная зависимость электрического поля (значения поля передаются цветом) в терагерцовых импульсах, отраженных от точек иконы, лежащих на линии X = 20 мм (рис. 3.7а) и Y = 100 мм (рис. 3.7б). Яркая белая линия с черной окантовкой соответствует импульсу, отраженному от лицевой поверхности иконы. Наиболее важная информация заключена однако в черных линиях, расположенных в области более поздних времен прихода (черные линии соответствуют положительным пикам отраженного электрического поля). Эти линии говорят об отражении терагерцового импульса от внутренних неоднородностей исследуемого объекта.
Жирная черная линия на рис. 3.7а,б соответствует, очевидно, отражению от границы раздела левкас-древесина. Множественные более слабые темные полосы могут быть интерпретированы как отражения от древесных годичных колец. Отсутствие на рис. 3.7а жирной линии и более слабых полос в области координат 70 Y 140 мм во временном промежутке от 105 пс до 125-145 пс (в зависимости от координаты Y) ясно свидетельствует о наличии дефекта. Более того, можно даже сделать заключение, что наблюдаемый дефект – это полость, заполненная левкасом. Действительно, материал-наполнитель является относительно однородным, и от границы раздела этого материала с грунтом (левкасом) отражения терагерцовых волн не наблюдается. Вероятнее всего, часть сучка была удалена, образовавшаяся полость была заполнена левкасом, а изображение на этой части иконы восстановлено.
