Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Методы формирования изображения в ТГц оптике 13
1.1. Формирование изображения с использованием импульсного ТГц излучения 15
1.2. Формирование изображения в импульсной ТГц спектроскопии с разрешение во времени 17
1.3. Времяпролетное формирование изображения 19
1.4. ТГц квазиближнепольное формирование изображения 22
1.5. Восстановление изображения с использованием фазовой
информации о ТГц поле 25
1.6. Однопиксельное когерентное дифракционное формирование изображения 27
1.7. Формирование изображения с использованием компрессивной съемки 31
ГЛАВА 2. Восстановление фазового объекта с градиентным рельефом метод импульсной терагерцовой голографии с разрешением во времени 36
2.1. Метод импульсной терагерцовой голографии с разрешением во времени 37
2.2. Восстановление ТГц изображение при сканировании объекта сфокусированным ТГц пучком 41
2.3. Схема эксперимента для восстановления объекта в схеме с широкоапертурным коллимированным ТГц пучком 42
2.4. Восстановление бинарного амплитудного объекта в дальней зоне дифракции 45
2.5. Восстановление фазового градиентного объектов в ближней зоне дифракции 47
2.6. Восстановление фазового градиентного объекта в 4f схеме 58
ГЛАВА 3. Влияние параметров растрового сканирования широкоапертурного коллимированного терагерцового пучка на качество восстановления изображения 61
3.1. Результаты моделирования восстановления изображения при различных параметрах 61
3.2. Оценка времени измерения ТГц поля 67
ГЛАВА 4. Пространственно-временная картина электрического поля терагерцового импульса в фокальной плоскости 70
4.1. Схема эксперимента по записи ТГц Фурье-голограмм 71
4.2. Пространственно-временные картины ТГц поля в Фурье-плоскости 75
4.3. Амплитудно-фазовые картины ТГц поля в Фурье-плоскости 79
Заключение 80
Основные работы, опубликованные по теме диссертации 83
Список литературы
- Формирование изображения в импульсной ТГц спектроскопии с разрешение во времени
- Восстановление ТГц изображение при сканировании объекта сфокусированным ТГц пучком
- Оценка времени измерения ТГц поля
- Пространственно-временные картины ТГц поля в Фурье-плоскости
Формирование изображения в импульсной ТГц спектроскопии с разрешение во времени
Сейчас технологии формирования изображения в ТГц диапазоне спектра становятся важными для множества применений [15]. Формирование изображения в ТГц области и спектроскопия имеет широкий диапазон применений в биосистемах [16–18], системах безопасности [19], фармацевтике [20], медицине [21, 22]. Многие вещества содержат уникальную спектральную информацию в ТГц диапазоне, что позволяет изучать кристаллические структуры [20], белковые взаимодействия и производить обнаружение взрывчатых веществ. Еще одним привлекательным свойством ТГц излучения является его способность проникать через оптически непрозрачные материалы, такие как одежда, картон, пластмассы, и, в некоторой степени, биологические ткани. Это позволяет использовать ТГц излучение для формирования изображения объектов. Исследования в части формирования изображения в ТГц диапазоне можно классифицировать следующим образом (см. рисунок 3): работы в системах для непрерывного излучения и для импульсного излучения. Среди работ с использованием импульсного излучения существует множество работ по ТГц спектроскопии с разрешением во времени. Однако, большинство из них посвящены амплитудному формированию изображения, в то время как работ по фазовому крайне мало, либо они используют информацию о фазе ТГц волны косвенно. Эта область исследования по фазовому формированию изображения в ТГц спектроскопии с разрешением во времени как раз представляет интерес настоящей работы. Рисунок 3 Диаграмма исследований в области формирования изображения в ТГц диапазоне спектра.
Первые попытки формирования изображения были сделаны с помощью сканирования объекта в сфокусированном ТГц пучке в классической ТГц спектроскопии с разрешением во времени (THz TDS Terahertz time domain spectroscopy) [23], как в геометрии на отражение [24], так и используя томографическую технику [25], что позволяет получать полное трехмерное изображение объектов. Позднее были предложены более сложные методы формирования изображения [26, 27]. В обзоре не упоминается детально техника формирования изображения для непрерывных источников ТГц излучения, потому что она задействует другую физику и реализуется на принципиально других экспериментальных системах [28–30], большинство из которых теряют фазовую информацию, и только интерферометрические методы позволяют ее восстановить [31].
Терагерцовая голография как один из специфических способов формирования изображения изучался несколькими группами исследователей [31–34], однако все описанные подходы используют источники непрерывного излучения и восстанавливают только амплитудные объекты. Представляющая текущий интерес импульсная ТГц голография с разрешением во времени была продемонстрирована в некотором виде для амплитудных объектов [25, 35–37], включая экспериментальную реализацию восстановления простейшего амплитудного бинарного объекта. В большинстве случаев только амплитудной информации не достаточно для полного восстановления изображения объекта, но вовлечение фазовой информации в процедуру восстановления это позволяет, как в схеме на пропускание [38, 39], так и на отражение [40].
В [41, 42] приведены экспериментальные результаты импульсной широкополосной ТГц голографии для случая амплитудных объектов. В [42] для восстановления объекта используется метод компрессивной съемки, который в простой реализации плохо применим к фазовым объектам. В [43] используется метод фазового мультидлинноволнового формирования изображения. Сканирование объекта производится в перетяжке ТГц пучка. При поточечном сканировании объекта в перетяжке ТГц пучка имеет место ограничение пространственного разрешения, которое определяется расходимостью пучка =1,22/D. Частично фазовое формирование изображения было продемонстрировано в [44], но в той работе использовался также непрерывный источник ТГц излучения большой мощности в сочетании с интерферометрическими измерениями для восстановления фазы при регистрации ТГц излучения с помощью ячейки Голея.
Восстановление ТГц изображение при сканировании объекта сфокусированным ТГц пучком
Чтобы определить пространственное разрешение данного метода, было промерено лезвие бритвы толщиной 200 мкм и построено ее изображение по максимуму ТГц сигнала во временной области (см. рисунок 13(b)). Пространственное разрешение оценивалось для одномерного среза, обозначенного красной пунктирной линией. Разрешение в 280 мкм получено, исходя из критерия для ТГц мощности в диапазоне 10-90%, как показано на рисунке 13(c). Применяя процедуру преобразования Фурье, возможно получить кривые разрешения для отдельных монохроматических компонент широкополосного ТГц спектра, в данном случае в диапазоне 0.26-1.85 ТГц (см. рисунок 13(d)). Видно, что с ростом частоты разрешение растет, что согласуется с критерием Реллея. Разрешение на различных частотах, соответствующие длины волн и соотношение разрешения к длине волны приведено в таблице 1. Разрешение составляет около /2 на низких частотах, но приближается к длине волны на высоких частотах. Таблица 1 Частота ТГц излучения, измеренное разрешения для данной частоты, соответствующая частоте длина волны, соотношение разрешение/длина волны.
Восстановление изображения с использованием фазовой информации о ТГц поле Еще один способ формирования изображения в ТГц оптике может быть реализован в отражающей геометрии в фокальной плоскости с использованием информации о фазе отраженной ТГц волны [51]. Схема экспериментальной установки для данной техники представлена на рисунке 14. Расширенный ТГц пучок диаметром 25 мм отражается под углом 150 от исследуемого объекта. С помощью 2f-2f геометрии плоскость исследуемого объекта переносится в плоскость регистрации, где расположен кристалл (40мм 40мм 2мм), осуществляющий электрооптическое детектирование. Кристалл освещается также пробным пучком широкой апертуры. Для регистрации широкоапертурного пробного пучка используется CCD камера. Рисунок 14 Схема экспериментальной установки для ТГц формирования изображения в отражающей геометрии в фокальной плоскости.
Далее поверхность объекта рассчитывается как h(x,y)=kp/4n, где X-длина волны излучения и ф- соответствующая ей фаза волны [52]. Для улучшения восстановления также применяется суммирование по нескольким длинам волн. Результат восстановления изображения представлен на рисунке 15.
Результат восстановления изображения объекта: (a)- оптическое изображение, (b)- восстановление на длине волны 0.25 mm, (c)- мульти длинноволновое восстановление. Вклад включения в расчет итогового профиля объекта множества монохроматических компонент показан на рисунке 16.
Недостатком такой техники является использование дополнительной ТГц оптики (2f-2f системы), увеличивающей сложность юстировки. Кроме того восстановление изображения производилось для простейшего случая бинарного амплитудного объекта и в схеме на отражение.
Однопиксельное когерентное дифракционное формирование изображения Обычно в системах для получения двумерного изображения используется растровое сканирование объекта в перетяжке сфокусированного ТГц пучка, однако такое сканирование занимает достаточно много времени. Существуют работы, предлагающие другой подход к получению двумерного ТГц изображения. Один из таких подходов представляет собой метод однопиксельного когерентного дифракционного формирования изображения. Схема представлена на рисунке 17.
Когерентное дифракционное формирование изображения представляет собой технику восстановления изображения для малоразмерных объектов используя высоко когерентное излучение [53]. При этом восстановление изображения производится путем обработки дифракционной картины излучения на исследуемом объекте. Разрешение восстанавливаемого изображения определяется главным образом длиной волны излучения и описывается интегралом Фраунгофера: Где и x есть пространственные координаты плоскости объекта и плоскости дифракционной картины соответственно, к- волновое число, z расстояние между объектом и детектором. Фурье компоненты U( содержат информацию о всех пространственных частотах fx=xfz, которые затем регистрируются детектором в плоскости регистрации (х,у). Однако, имея широкополосный когерентный источник с распределением частот о О до max/2, однопиксельный детектор может заменить массив детекторов, поскольку частотные компоненты источника имеют однозначное соответствие с пространственными частотными компонентами объекта. Однопиксельный детектор, помещенный в фиксированную точку х0 может одновременно измерить все Фурье-компоненты поля Щ):
Оценка времени измерения ТГц поля
Однако, большинство методов THz TDS используют растровое сканирование объекта с помощью сфокусированного пучка ТГц излучения, что ограничивает латеральное разрешение получаемого изображения вследствие ограниченности размера перетяжки сфокусированного пучка. Еще один большой пласт работ выполнены в геометрии на отражение, где разрешение по глубине ограничено длинной когерентности ТГц импульса, что приводит к тому, что затруднительно разрешить объект с толщиной меньшей длины когерентности вследствие интерференции последовательно отраженных импульсов от слоев тонкого объекта. В таком случае становится невозможным восстановить рельеф объекта, используя только информацию о ТГц импульсе во временной области методами стандартного времяпролетного формирования изображения, поскольку времяпролетная техника использует только информацию о фазе всего волнового пакета в целом, а не информацию о фазе отдельных монохроматических компонент в импульсе. Таким образом, известные методы позволяют восстанавливать изображения простейших бинарных амплитудных объектов, при этом восстановление сложных фазовых объектов, не вносящих сильный вклад в изменение амплитуды ТГц поля, требует более сложного подхода, речь о котором пойдет далее. Глава 2 Восстановление фазового объекта с градиентным рельефом метод импульсной терагерцовой голографии с разрешением во времени.
Обзорная глава 1 показала, что экспериментальных работ по восстановлению рельефа поверхности градиентного фазового объекта не проводилось. В данной главе предлагается метод импульсной ТГц голографии с разрешением во времени, позволяющий зарегистрировать пространственное распределение фазы отдельных частотных Фурье компонент спектра и использовать информацию о фазе для восстановления рельефа сложного градиентного фазового объекта, прозрачного в ТГц диапазоне спектра. Данная методика получения изображения позволяет зарегистрировать информацию об оптических характеристиках объекта или его рельефе путем прямой регистрации временных форм ТГц импульса в отдельных точках пространства в широкоапертурном коллимированном ТГц пучке. Ключевой особенностью данного метода является расположение измеряемого объекта в широкоапертурном ТГц пучке в схеме на пропускание, что позволяет зарегистрировать комплексную амплитуду дифрагировавшего ТГц поля и численно восстановить фазовое запаздывание на объекте и соответственно рельеф, не испытывая ограничения латерального разрешения при использовании сфокусированного пучка. При этом сам объект неподвижен, а сканирование поля осуществляется диафрагмой, что не вносит дополнительных искажений в объект. Также, в отличие от схем на отражение с их сложностью в случае тонких объектов, в данном методе используется схема на пропускание, которая позволяет зарегистрировать даже малое фазовое запаздывание отдельных частотных компонент импульса при прохождении через прозрачный объект. В данном случае разрешение по глубине ограничено только длительностью пробного стробирующего фемтосекундного импульса и соотношением сигнал-шум.
Еще одним отличительным моментом является отсутствие дополнительной системы ТГц оптики, переносящей изображение объекта в плоскость регистрации, что вносило бы дополнительную сложность в юстировку системы. Вместо этого изображение в плоскости объекта восстанавливается численно путем обращения волнового фронта методом цифровой голографии, что впервые было предложено Габором, пошедшим данным путем в работах по улучшению разрешающей способности микроскопа [92].
Метод импульсной терагерцовой голографии с разрешением во времени Электро-оптическое детектирования импульсного ТГц излучения позволяет зарегистрировать пространственно-временной профиль широкополосного ТГц поля E(x,y,t) с помощью растрового сканирования или путем мгновенной регистрации пространственного распределения пробного фемтосеку ндного импульса за электрооптическим кристаллом на матричные фотоприемники. На рисунке 24 представлена схема растрового сканирования широкоапертурного коллимированного ТГц поля в схеме на пропускание с помощью диафрагмы.
Пространственно-временные картины ТГц поля в Фурье-плоскости
Уменьшение времени растрового сканирования возможно при: 1) использовании эвольвентной подвижки [63] 2) уменьшении количества шагов по (x,y) в сетке сканирования, 3) перемещая подвижку по (x,y) во время обратного хода по z, 4) уменьшении временного окна для ТГц импульса путем уменьшения длины смещения подвижки по z, что, однако, приведет к потере части спектральной информации об импульсе, 5) увеличении скорости подвижки, что приведет к уменьшению соотношения сигнал-шум, 6) уменьшении количества повторений измерений на каждом шаге сканирования, что возможно только при условии высокого соотношения сигнал-шум, 7) производя накопление измерений в ходе одного проезда по z, но с медленной скоростью, 8) используя электрооптическое детектирования на основе многоканальных балансных детекторов [64], или ИК камеру [65] или массив микроболометров.
Таким образом, в данной главе были исследованы параметры, влияющие на время сканирования поля и на качество восстановления изображения. Основываясь на данных параметрах, возможно оптимизировать экспериментальную установку для импульсной ТГц голографии с разрешением во времени. Улучшение контраста изображения восстанавливаемого объекта достигается главным образом за счет уменьшения длины волны используемого излучения, уменьшения расстояния между плоскостью объекта и плоскостью регистрации и за счет увеличения апертуры регистрации. Размер сканирующей диафрагмы определяет пространственное разрешение восстанавливаемого объекта и значительно влияет на время сканирования поля и на сигнал-шум проходящего через диафрагму излучения. В реальных экспериментальных установках более короткие длины волн ограничены соотношением сигнал-шум и, соответственно, необходимо использовать более мощные источники с более широким спектром. Таким образом, существует оптимальный баланс между временем сканирования и качеством восстановления, что определяется числом Френеля, зависящим от длины волны ТГц излучения, расстоянием между плоскостью объекта и плоскостью регистрации и размером апертуры регистрации.
Распространение и дифракция импульсов из нескольких колебаний поля привлекают большое внимание для теоретических и экспериментальных исследований. Многие интересные явления были исследованы: формирование формы импульса, смещения в спектральной области, смещение Гойя, суперлюминесценция [66-73]. ТГц импульс представляет собой прекрасный объект для изучения дифракционных эффектов. И процесс генерации и процесс детектирования однопериодных ТГц импульсов достаточно развиты. Кроме того, регистрация ТГц импульсов является когерентной, т.к. и амплитуда и фаза измеряются одновременно.
Одним из фундаментальных явлений оптики является дифракция света, однако экспериментальных исследований пространственно временной структуры при распространении сверхкороткого широкополосного импульса, обладающего сложной амплитудно-фазовой структурой, в достаточной мере не проводилось [79-82]. Экспериментально дифракцию импульсов из нескольких осцилляций электромагнитного поля для волн в видимом и ИК диапазонах спектра на практике достаточно сложно изучать, так как практически нет возможности прямой регистрации амплитуды и фазы, и только итерационные процедуры расчета позволяют восстановить исходный временной или пространственный профиль [83]. Экспериментальное изучение дифракции сверхкороткого импульса со сложной амплитудно-фазовой структурой стало возможным с появлением техники регистрации временных форм электрического поля импульса широкополосного ТГц излучения. В приложении 2 обсуждается спектрально-временная эволюция электрического поля терагерцового импульса при дифракции Фраунгофера на щели. ТГц волновой фронт при возбуждении фемтосекундными импульсами, как правило, представляет собой несколько колебаний электромагнитного поля и обладает сложной амплитудно-фазовой структурой, связанной как с процессом генерации и дальнейшей дифракцией на образованной апертуре, так и с влиянием дисперсии среды [84, 85]. Целью данной работы являлось получение спектрально-временных форм электрического поля волны ТГц импульса из малого числа колебаний с широкополосным спектром и длительностью несколько пикосекунд при фокусировке ТГц излучения на кристалле детектирования. Данное исследование может быть полезным при интерпретации результатов измерений в импульсной ТГц оптике и спектроскопии.
