ТЕРАГЕРЦОВЫЙ СПЕКТРОМЕТР НА ОСНОВЕ ФЕМТОСЕКУНДНОГО ЛАЗЕРА ДЛЯ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Потешкина Кристина Дмитриевна

магистрант 1-го года обучения, кафедра лазерных систем, Новосибирский государственный технический университет, г. Новосибирск

E-mail: pkd1990@yandex.ru

Микерин Сергей Львович

научный руководитель, канд. физ.- мат. наук, Институт автоматики и электрометрии СО РАН, г. Новосибирск

Разработан макет оптической схемы спектрометра терагерцового (ТГц) частотного диапазона с минимальным количеством вспомогательных оптических элементов, на его основе реализован экспериментальный стенд многоцелевого использования: как для получения спектров пропускания широкоапертурных образцов, так и для исследования эффективности генерации ТГц излучения с помощью титан-сапфирового фемтосекундного лазера накачки в прозрачных и непрозрачных для ТГц излучения нелинейных средах. Регистрация ТГц излучения в спектрометре осуществлялась методом электрооптического стробирования. Была произведена оценка ширины аппаратной функции спектрометра. На сегодняшний день в России спектрометры такого типа существуют лишь в нескольких научных центрах. Тем самым возникает актуальность разработки оптических схем для спектрометров и создания на их основе экспериментальных установок, а также исследование характеристик нелинейных сред для генерации ТГц излучения. Оптические среды с квадратичной нелинейностью, такие как полимерные полингованные плёнки (прозрачная среда), полупроводниковый материал InAs (непрозрачная среда) являются перспективными объектами для дальнейших исследований на базе разработанного экспериментального стенда.

Введение

Терагерцовый (ТГц) спектральный диапазон, также называемый субмиллиметровым, занимающий промежуточное положение между ИК и микроволновым диапазонами частот, на сегодняшний день очень мало исследован [3]. ТГц излучение принято относить к интервалу частот от 0,1 до 10 ТГц. Излучение в этом диапазоне частот и взаимодействие его с разными веществами имеют свои особенности, которые определяют области применения ТГц излучения.

·  ТГц излучение — неионизирующее [2, С. 59], т. е. не наносит вреда живым организмам, поэтому актуально применять его для медицинской диагностики.

·   В ТГц диапазоне частот прозрачны многие сухие диэлектрические материалы, такие как ткани, дерево, бумага, пластмассы [4, С. 9]. Поэтому ТГц излучение можно использовать для неразрушающего контроля материалов, например, при сканировании багажа или контроле качества продуктов питания и медикаментов.

·   Различные материалы обладают существенно разным поглощением [4, С. 9] в ТГц диапазоне частот, что позволяет обеспечить контрастность снимков или контрастность спектральных линий. Это актуально для экспертизы оригиналов картин [5], визуализации деталей изображений, скрытых под слоем краски и идентификации веществ, используемых при их создании [4, С. 10].

·  В ТГц диапазоне частот лежат резонансы вращательных и колебательных переходов многих молекул [7, С. 53]. Это позволяет проводить идентификацию молекул по их спектральным «отпечаткам пальцев». В сочетании с получением изображения (имиджингом) в ТГц диапазоне можно определить не только форму, но и состав исследуемого объекта.

·   Также в ТГц диапазоне лежат спектры излучения [4, С. 9] и поглощения сложных органических молекул, таких как молекулы белков и ДНК, ряда взрывчатых веществ и, вредных веществ — загрязнителей атмосферы. Эту особенность ТГц излучения можно использовать, например, в экологии для мониторинга газовых соединений, содержащихся в атмосфере.

·   ТГц излучение может быть сформировано в узкий направленный пучок, что даёт возможность к применению его в радарах, голографии, системах связи и других областях.

Интерес к подобным областям применения ТГц излучения делает актуальным развитие методов его генерации, регистрации, а также спектральных методов исследования различных веществ.

Возможность регистрации микроволновых колебаний электрического поля во временной области, продемонстрированная в работе [6] с помощью фотоуправляемых ключей, заложила основу когерентной спектроскопии ТГц диапазона (Terahertz Time-Domain Spectroscopy) с использованием лазерных импульсов субпикосекундной длительности. Впоследствии были предложены различные физические основы для генерации и регистрации ТГц излучения, в том числе – генерация в оптической среде с квадратичной нелинейностью и регистрация в электрооптическом кристалле (см., например, [9], обзор [8]).

Разработка макета оптической схемы спектрометра ТГц излучения

В основу разработки схемы ТГц спектрометра были заложены следующие условия:

1.  возможность использования для генерации как пропускающих, так и поглощающих нелинейных сред;

2. использование минимально возможного количества вспомогательных оптических элементов, чтобы уменьшить потери мощности ТГц излучения;

3. выбор вспомогательных оптических элементов схемы небольших размеров, в частности для того, чтобы собранная схема спектрометра помещалась на площади экспериментального стенда, которая составляет, приблизительно 50 × 40 см;

4. обеспечение равенства длины путей излучения накачки, ТГц излучения и длины пробного фемтосекундного (фс) импульса, что необходимо для того, чтобы выбрать нулевую разность хода, относительно которой будут перебираться отрицательные и положительные задержки для сканирования всего ТГц импульса;

5. обеспечение сведения пробного и ТГц. Электрическое поле ТГц импульса должно быть перпендикулярно пробному пучку, чтобы электрооптический эффект Поккельса был максимален. Следовательно, терагерцовый и пробный (зондирующий) пучки должны распространяться соосно в электрооптическом кристалле.

На рисунке 1 представлена разработанная схема ТГц-спектрометра, в которой используются прозрачные для ТГц излучения квадратично-нелинейные материалы (для генерации и детектирования ТГц излучения). Например, кристалл ZnTe, который используется нами для апробации установки, или полингованная полимерная плёнка.

Рисунок 1. Разработанная схема ТГц спектрометра, ориентированная на прозрачные среды

В данной схеме используется непроизвольное положение источника фс импульсов, что позволяет обойтись минимальным числом поворотных зеркал. В качестве делителя исходного пучка на пучок накачки и пробный пучок используется плоское диэлектрическое зеркало 1, которое делит в соотношении 70 % / 30 %. Это соотношение широко используется в работах других авторов. Для поворота пучка накачки в квадратично-нелинейную среду применяется одно поворотное зеркало 2, отражающее 100 % мощности фс излучения при угле падения 45°. Линза 3 фокусирует излучение накачки в нелинейную среду 4а.

Широкополосное импульсное излучение ТГц диапазона генерируется в нелинейной среде под действием оптического импульса накачки за счёт эффекта оптического выпрямления. При этом в среде возникает всплеск (импульс) нелинейной поляризации, пропорциональный интенсивности фс импульса. Производная по времени этого импульса поляризации (т. е. импульс тока) повторяет форму огибающей оптического импульса. А всплеск тока в нелинейной среде приводит к ТГц излучению. Если оптический фс импульс достаточно короткий (~ 100 фс), то всплеск тока будет иметь соответствующую длительность τ ~ 1 пс, а характерная частота излучения Ω составит ~ 1/ τ = 1 ТГц.

Два внеосевых параболических зеркала 5 а и 5 б (рис. 1) выполняют следующие функции: 5 а — сбор и коллимация ТГц излучения в пучок диаметром 20 мм (апертура зеркала), 5 б — фокусировка ТГц излучения в электрооптическую среду 4 б для регистрации. Параболические зеркала в схеме используются вместо сферических для того, чтобы избежать астигматизма, т. е. явления, при котором отражённые лучи от зеркала имеют различные точки сходимости. Задержку терагерцового пучка относительно пробного в схеме обеспечивает оптическая линия задержки 6, состоящая из двух плоских плотных зеркал, расположенных под прямым углом друг к другу.

Функцию сведения в разработанной оптической схеме обеспечивает металлическое зеркало 7, размером ~ 3 × 2 мм. При таких пропорциях форма тени от него в ТГц пучке близка к квадратной. Размер был выбран минимально возможным чтобы как можно больший поток ТГц излучения попадал на второе параболическое зеркало 5 б.

Было установлено, что равенство длин путей достижимо с помощью перемещения линии задержки таким образом, чтобы AB = A*B*.

Данный вариант оптической схемы использовался на этапах тестирования созданной установки. Был разработан также вариант, в котором для генерации ТГц излучения используется непрозрачная нелинейная среда (рис. 2), например, полупроводниковый кристалл InAs.

Рисунок 2. Оптическая схема ТГц спектрометра, ориентированная на непрозрачные среды

Генерация терагерцового излучения в InAs осуществляется за счёт фотогальвонического эффекта Дембера. В приповерхностном слое InAs, куда проникает часть излучения накачки, рождаются электронно-дырочные пары, которые интенсивно поглощают накачку. Электроны диффундируют быстрее вглубь материала, т. к. их подвижность больше. В результате в приповерхностном слое на короткое время возникает разделение заряда и короткий импульс тока, который излучает ТГц импульс.

Угол 45° между пучком накачки и нормалью к поверхности нелинейной среды является удовлетворительным компромиссом между долей накачки, поглощаемой средой и долей собранного параболическим зеркалом ТГц излучения.

Основное отличие данной схемы от схемы на рис. 1 заключается в том, что для направления фс пучка в нелинейную среду, предназначенную для генерации, здесь не требуется поворотного зеркала, что является преимуществом для реализации такой схемы.

Регистрация терагерцового излучения

Рассмотрим принцип электрооптической регистрации колебаний ТГц электрического поля во временной области.

В основе метода лежит эффект Поккельса — изменение показателя преломления среды в оптическом диапазоне под действием внешнего, в данном случае ТГц, электрического поля. В методе электрооптического стробирования поле ТГц импульса изменяет ориентацию эллипсоида показателей преломления электрооптического кристалла (кристалл становится двулучепреломляющим). При прохождении через кристалл линейно поляризованного пробного импульса совместно с терагерцовым импульсом, поляризация пробного импульса становится эллиптической в результате различного набега фаз для обыкновенной и необыкновенной волны. Величина эллиптичности, пропорциональная амплитуде ТГц поля, может быть зарегистрирована с помощью поляризатора. Два пучка разных поляризаций, полученных с помощью поляризатора, детектируются с помощью балансного фотодетектора, состоящего из двух одинаковых фотодиодов и усилителя, выходное напряжение которого пропорционально разности между фототоками фотодиодов (U_вых ~ i₁ — i₂). Регистрация разностного сигнала с диодов позволяет подавить шумы лазера и увеличить полезный сигнал вдвое (по сравнению с сигналом одного диода).

Термин «стробирование» означает, что терагерцовое поле измеряется на коротком участке его перекрытия со сверхкоротким оптическим импульсом, который и задает временной строб, т. е. «ворота», для измерения ТГц поля. Т. к. ТГц поле меняется медленно по сравнению с длительностью фс импульса, то можно считать, что при электрооптическом стробировании детектируется квазипостоянное электрическое поле. При этом мы предполагаем, что взаимное расхождение пробного и ТГц импульсов в кристалле невелико, т. е. можно считать, что пробный импульс взаимодействует с одним и тем же участком ТГц импульса при их распространении через всю толщину кристалла. Для того, чтобы измерить другой участок терагерцового импульса, изменяем временную задержку пробного импульса на нужную величину. Сканируя различные задержки, получаем всю волновую форму (осциллограмму) терагерцового импульса. И, таким образом, в результате получаем осциллограмму ТГц импульса (зависимость электрического поля ТГц импульса от времени) E_ТГц(τ), которая регистрируется путём получения выборки значений поля ТГц импульса в различные моменты времени. Преобразование Фурье от полученной осциллограммы позволяет получить спектр ТГц импульса:

E'(ω) = 1/ (2π) ∫ E(τ) e^-iωτ dτ,                                 (1)

где τ — длительность импульса, ω — частота импульса.

На рис. 3 представлена схема регистрации с использованием данного метода.

Рисунок 3. Схема регистрации ТГц излучения методом электрооптического стробирования

На кристалл ZnTe падает линейно поляризованный пробный пучок. В процессе электрооптического детектирования пучок преобразуется в эллиптически поляризованный. Четвертьволновая пластинка λ/4 преобразует эллиптическую поляризацию в линейную, причём угол между её плоскостью и плоскостью поляризации входного пучка пропорционален степени эллиптичности, т. е. амплитуде ТГц поля. Призма Волластона (ПВ) разделяет пучок на два со взаимно перпендикулярными линейными поляризациями. Балансный фотодетектор регистрирует разность интенсивностей (фототоков) двух пучков. В отсутствии ТГц поля оба пучка имеют одинаковую интенсивность и балансный сигнал равен нулю. В присутствии поля эллиптичность поляризации пробного импульса изменяется, и разностный сигнал примет ненулевое значение.

Оценка ширины аппаратной функции ТГц спектрометра

Была произведена теоретическая оценка ширины аппаратной функции разработанного терагерцового спектрометра.

Максимальное перемещение подвижки с зеркалами линии задержки в нашей установке (рис. 1, 2) составляет 25 мм. Поскольку в линии задержки импульс двигается в одном, а потом в обратном направлении, то время, за которое пробный импульс пройдёт суммарное расстояние τ = 50 мм / 3·10¹¹ мм/с ≈ 170 пс. По литературным данным [1, С. 116] такой диапазон перестройки задержки соответствует характерной длительности реально регистрируемых ТГц импульсов. Таким образом, в нашем случае, ширина аппаратной функции спектрометра Δν = 1 / τ = 6·10⁹ Гц = 6 ГГц.

Апробация экспериментальной установки

Тестовые измерения спектра пропускания 50 см участка воздуха были проведены на экспериментальной установке для прозрачной нелинейной среды (рис. 1), общий вид которой показан на рис. 4.

В результате измерения сигнала с балансного фотодетектора при сканировании задержки на нашей экспериментальной установке была получена волновая форма ТГц импульса (рис. 5).

Рисунок 4. Экспериментальная установка (собранная оптическая схема на экспериментальном стенде)

Рисунок 5. Зарегистрированная волновая форма (осциллограмма) ТГц импульса

Из графика видно, что зарегистрированная осциллограмма имеет интенсивный всплеск и длинный затухающий хвост. Характерный период колебаний составляет несколько пикосекунд.

На рисунке 6 показан вычисленный с помощью быстрого Фурье-преобразования спектр терагерцового импульса.

Рисунок 6. Спектр пропускания участка воздуха

 На рисунке 6. — A — амплитуда поля, φ — фаза и ω — частота.

Следует отметить, что наша система даёт широкий спектр — от 0,2 до 2,5 ТГц с максимумом в районе 1 ТГц. Ограничение спектра со стороны высоких частот обуславливается широкой полосой поглощения ТГц излучения в кристалле ZnTe (3—5 ТГц). Узкие провалы соответствуют линиям поглощения парами воды в воздухе [1, С. 116]. Известно, что ширина этих линий ~ 1 МГц, т. е. много меньше наблюдаемой здесь ширины линии. Мы использовали это для определения ширины аппаратной функции спектрометра, которая составила приблизительно 10 ГГц, что хорошо согласуется с теоретической оценкой. Осцилляции в спектре соответствуют интерференционному эффекту [10, С. 99] прошедшего и отражённого ТГц-импульсов от поверхности ZnTe. Период колебаний зависит от толщины кристалла и его показателя преломления в ТГц области.

С помощью полученного спектра фазы, если будет необходимо, возможно определить показатель преломления среды [4, С. 35].

Заключение

Таким образом, был реализован экспериментальный стенд многоцелевого использования: как для получения спектров пропускания широкоапертурных образцов, так и для исследования эффективности генерации ТГц излучения с помощью титан-сапфирового фемтосекундного лазера накачки в прозрачных и непрозрачных для ТГц излучения нелинейных средах. Ширина аппаратной функции спектрометра, оцененная по ширине узких линий поглощения паров воды, составила 10 ГГц, что согласуется с теоретической оценкой. Разработанные варианты оптической схемы спектрометра пригодны для использования как непрозрачных, так и прозрачных нелинейных сред. Работы в этом направлении и создание экспериментальных установок, а также исследование характеристик нелинейных сред для генерации ТГц излучения направлены на развитие техники и спектроскопии ТГц диапазона в России. Прозрачные и непрозрачные оптической среды с квадратичной нелинейностью, такие как полимерные полингованные плёнки, полупроводниковые кристаллы InAs являются перспективными объектами для дальнейших исследований на базе разработанного экспериментального стенда.

Список литературы:

1. Анцыгин В.Д., Мамрашев А.А., Николаев Н.А. и др. Малогабаритный терагерцовый спектрометр с использованием второй гармоники фемтосекундного волоконного лазера. Автометрия. 2010, Т. 46, № 3, c. 110—117.

2. Мириманов Р.Г. Миллиметровые и субмиллиметровые волны. — М.: Изд. ин. литературы, 1959.

3. Назаров М.М., Шкуринов А.П., Кулешов Е.А. и др. Терагерцовая импульсная спектроскопия биологических тканей. Квантовая электроника, 2008. Т. 38, № 7. С. 647.

4. Царёв М.В. Генерация и регистрация терагерцового излучения ультракороткими лазерными импульсами. Уч. пос., — Нижний Новгород, 2011.

5. Arbor Ann. Hidden Art Could be Revealed by New Terahertz Device. The University of Michigan. News Service, 2008.[Электронный ресурс] — Режим доступа — URL: http://newswise.com/articles/view/537448/.

6. Auston D.H., Cheung K.P., Smith P.R. Picosecond photoconducting Hertzian dipoles. Appl. Phys. Lett. 1984, V. 45, № 3, PP. 284—286.

7. Brandt N.N., Chikishev A.Yu., Kargovsky A.V., Nazarov M.M. etc. Terahertz time-domain and Raman spectroscopy of the sulfur-containing peptide dimers: Low-frequency markers of disulfide bridges. Vibrational Spectroscopy. 2008, V. 47. PP 53—58.

8. Schmuttermaer C.A. Exploring dynamis in the Far-Infrared with Terahertz Spectroscopy. Chem. Rev. 2004, V. 104, № 4, PP. 1759—1779.

9. Suppliers for Equipment for Optical Time Domain Reflectometry. Encyclopedia of Laser Physics and Technology. — [Электронный ресурс] — Режим доступа — URL: http://www.rp-photonics.com/bg/buy_optical_time_domain_reflectometry/.

10. Turchinovich D., Dijkhuis J.I. Perfomance of combined (100) — (110) ZnTe crystals in an amplified THz time-domain spectrometr. Optics Communications 270, 2007.