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.