Экспериментальная установка

Данная установка находится в лаборатории ТГц биомедицины. Она позволяет измерить сигнал пропускания через образец.

В настоящей работе использована экспериментальная установка, генерирующая широкополосное ТГц импульсное излучение фотопроводящей антенной (нелегированный кристалл InAs) при облучении её фемтосекундными импульсами лазера FL-1 с активной средой калий-иттриевый вольфрамат с примесью иттербия, Yb:KYW (Solar, Россия;  = 1040±10 нм, t_имп = 200 фс,  = 70 МГц, P = 1,4 Вт). ТГц излучение характеризовалось следующими параметрами: спектральный диапазон 0,1 ÷ 2 ТГц, средняя мощность 30 мкВт, частота следования импульсов 75 МГц, мощность импульса 755 мкВт, длительность импульса 2,7 пс.

SHAPE \* MERGEFORMAT

Рис.5: Схема установки для снятия сигнала, отражённого от объекта.

FL-1 - фемтосекундный лазер на кристалле калий-иттриего вольфрамата, активированного иттербием (Yb:KYW), генерирующий фемтосекундные импульсы.

Ф, П - набор фильтров из тефлона, отсекающих ИК диапазон волн,

СД - светоделитель,

ЛЗ - оптическая линия задержки,

З - зеркала,

об - исследуемый образец,

Вол - призма Волластона,

CdTe - электрооптический кадмий-теллуровый кристалл,

БД - балансный детектор,

СУ - синхронный усилитель,

PC - персональный компьютер,

ОАП - опто-акустический приёмник.

Г - Призма Глана

ПЗ – параболическое зеркало

ОММ - оптико-механический модулятор,

Для тех, кто заинтересовался устройством установки более детально – можно почитать работу [3].

Порядок выполнения работы

1. Измерение толщины образцов микрометром.

2. Получение сигналов пропускания на экспериментальной установке.

Требуется записать сигналы пропускания для трёх ситуаций:

а. Опорный сигнал (в установке не стоит никакого образца);

б. Объектный сигнал первого образца (в установке стоит первый образец из исследуемого вещества);

в. Объектный сигнал второго образца (в установке стоит второй образец из исследуемого вещества).

3. Получение из записанных сигналов спектров амплитуд и фаз при помощи программы Spectrina.

   1. Запускаем программу

   2. Открываем в ней файлы сигналов

   3. Отделяем сигнал от шумов:

      1. Выбираем Гауссовы оконные функции

      2. При помощи граф «Центр окна» и «Ширина окна», а также кнопки «Примерить» убеждаемся, что у нас выделены пики сигнала.

   4. Жмём кнопку «Расчёт»

   5. Результаты появятся в папке Calculation, которая появится в папке с выбираемыми файлами.

freq.txt – значения частотной шкалы, Гц

ampl_1.txt – частотная дисперсия значений амплитуд.

phase_1.txt – частотная дисперсия значений фаз.

Обработка результатов измерений

1. Требуется провести три набора расчетов для трёх случаев:

   1. Метод с опорным и объектным сигналами. В расчёте используются опорный сигнал и сигнал образца №1.

   2. Метод с опорным и объектным сигналами. В расчёте используются опорный сигнал и сигнал образца №2.

   3. Метод с сигналами образцов двух разных толщин. В расчёте используются сигналы образцов №1 и №2.

2. Для расчёта результатов ( , , , , , , ) использовать указанные в теоретической части формулы. Для метода двух толщин достаточно лишь найти (действительную часть показателя преломления).

3. Проведите сравнение показателей преломления для всех трёх случаев. Также сопоставьте остальные рассчитанные характеристики в двух первых случаях.

4. Результат выполнения работы представьте в наглядном развёрнутом виде. Удобнее всего производить расчёты в программе Origin. Там же можно получить наглядные и гибко настраиваемые графики. Печать теоретической части в отчётах не обязательна.

5. Осмыслите результат и сделайте выводы.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Xi-Cheng Zhang, Jingzhou Xu - Introduction to THz Wave Photonics

2. H. Nemec, F. Kadlec, P. Kuzel, L. Duvillaret, J.-L. Coutaz - Independent determination of the complex refractive index and wave impedance by time-domain terahertz spectroscopy

3. Балбекин Н.С. - Регистрация и анализ спектров различных сортов бумаги и клеевых композиций с помощью техники терагерцовой спектрометрии диапазона 0,1-2 ТГц

ВОПРОСЫ К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ

Одна из самых важных частей работы, которая отражает степень понимания предмета лабораторной работы.

1. Какие образцы подходят для измерения методом пропускания, а какие нет?

2. Почему отснятый объектный сигнал сдвинут относительно опорного, а также имеет более слабый максимум?

3. Каково предназначение оконных функций в программе Spectrina?

4. Как повлияет на результат неправильно измеренная толщина образца, если её значение по ошибке стало больше? А если меньше?

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО ОПТОИНФОРМАТИКЕ

Лабораторная работа № 2

Получение оптических свойств сред в ТГц диапазоне частот

методом отражения.

Цель работы: изучение методик получения оптических свойств объекта путём отражения ТГц импульса от его границ.

Объект исследования: ТГц измерительная установка на отражение, подложка из кремния, исследуемый объект.

Задачи, решаемые в работе:

4. Ознакомление с методиками измерения оптических свойств методом на отражение.

5. Ознакомление с конструкцией ТГц измерительной установки в режиме на отражение.

6. Изучение алгоритмов расчёта показателя преломления n и других оптических свойств.

В импульсной терагерцовой схеме волновая форма терагерцового импульса E(t) регистрируется путем получения выборки значений поля терагерцового импульса в различные моменты времени. Ультракороткий лазерный импульс расщепляется на импульс накачки и зондирующий импульс, которые используются, соответственно, для генерации и детектирования терагерцовых импульсов. Зондирующий лазерный импульс взаимодействует с определенным участком терагерцового импульса в детекторе. Терагерцовое поле регистрируется как функция временной задержки зондирующего импульса. Преобразование Фурье от волновой формы терагерцового импульса позволяет получить частотный спектр терагерцового импульса.

, (1)

где - зависимость комплексной амплитуды сигнала от частоты, - амплитудная составляющая, - фазовая составляющая

Терагерцовый спектр (1) принципиально является комплексной величиной. Терагерцовый импульс обычно содержит всего несколько осцилляций поля, поэтому его спектр может простираться более чем на октаву (в спектральном интервале, равном одной октаве, наибольшая частота в два раза превосходит наименьшую). Ширина спектра излучения импульсного терагерцового источника может составлять величину от 0,1 ТГц до 10 ТГц и даже более. Записывая волновую форму терагерцового импульса после его взаимодействия с некоторой мишенью и затем вычисляя спектр по формуле (1), можно получить спектральную характеристику мишени в диапазоне частот, присутствующих в спектре импульса. В связи с тем, что получение спектра происходит путем регистрации волновой формы (осциллограммы) импульса, то данный метод получил название терагерцовой спектроскопии во временной области (в англоязычной литературе – Terahertz Time-Domain Spectroscopy, THz TDS).