ОСОБЕННОСТИ ТЕРАГЕРЦОВОЙ СПЕКТРОСКОПИИ С ПРИМЕНЕНИЕМ ВЫСОКОДОБРОТНЫХ РЕЗОНАНСНЫХ СТРУКТУР
|
Реферат
ВВЕДЕНИЕ 6
1.Обзор литературы 11
1.1. Исследования спектров веществ резонаторными методами 11
1.2.Открытый резонатор в измерениях параметров веществ 13
1.3. Спектрально зависимые характеристики ОР 15
1.4. Выводы 19
2. Особенности возбуждения колебаний в квазиоптическом резонаторе для спектральных исследованиях в широкой полосе частот 21
2.1. Набор собственных колебаний ОР 21
2.2. Квазиоптические элементы связи ОР с линией передачи 23
2.3. Добротность ОР с наклонной пленкой и коэффициенты связи в широкой
полосе частот 27
2.4. Экспериментальные исследования возможности широкополосной связи
ОР с квазиоптическим трактом 31
2.5. Выводы 42
3. Исследование возможности управления спектром добротных резонансных колебаний ОР 43
3.1. Роль высших мод в спектральных применениях резонатора 43
3.2. Рабочая апертура зеркала как селектор видов колебаний ОР 45
3.3. Применение адаптивной диафрагмы в ОР для широкополосной
спектроскопии 49
3.4. Выводы 54
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 56
СПИСОК ЦИТИРОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 54
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 Список публикаций материалов диссертации 57
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 Отчет о патентных исследованиях 58
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 Коды для выполнения задачи
автоматической диафрагмы 70
ВВЕДЕНИЕ 6
1.Обзор литературы 11
1.1. Исследования спектров веществ резонаторными методами 11
1.2.Открытый резонатор в измерениях параметров веществ 13
1.3. Спектрально зависимые характеристики ОР 15
1.4. Выводы 19
2. Особенности возбуждения колебаний в квазиоптическом резонаторе для спектральных исследованиях в широкой полосе частот 21
2.1. Набор собственных колебаний ОР 21
2.2. Квазиоптические элементы связи ОР с линией передачи 23
2.3. Добротность ОР с наклонной пленкой и коэффициенты связи в широкой
полосе частот 27
2.4. Экспериментальные исследования возможности широкополосной связи
ОР с квазиоптическим трактом 31
2.5. Выводы 42
3. Исследование возможности управления спектром добротных резонансных колебаний ОР 43
3.1. Роль высших мод в спектральных применениях резонатора 43
3.2. Рабочая апертура зеркала как селектор видов колебаний ОР 45
3.3. Применение адаптивной диафрагмы в ОР для широкополосной
спектроскопии 49
3.4. Выводы 54
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 56
СПИСОК ЦИТИРОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 54
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 Список публикаций материалов диссертации 57
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 Отчет о патентных исследованиях 58
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 Коды для выполнения задачи
автоматической диафрагмы 70
Развитие нанотехнологий и других новых технологий синтеза композитных материалов представляет значительные возможности в создании новой элементной базы радиоэлектроники, однако радиочастотные свойства этих материалов требуются изучения. В связи с настойчивым продвижением радиоиндустрии последних десятилетий в область коротких сантиметровых, миллиметровых и субмиллиметровых длин волн [1], диапазон измерений, необходимый для исследования спектральных характеристик как отдельных компонентов создаваемых композитов, так и итоговых образцов, существенно расширился. Фактически переход от частот СВЧ и КВЧ (3-30 ГГц, 30-300 ГГц) к частотам терагерцовой части радиоволнового диапазона (300 ГГц-3ТГц) означает как минимум десятикратное расширение диапазона наблюдений. Некоторые авторы относят к терагерцовому диапазону частоты до 10 ТГЦ ( часть дальней ИК- области).
В терагерцовом диапазоне лежат спектры излучения астрономических объектов, а также спектры сложных органических молекул (таких как молекулы белков и ДНК, некоторых взрывчатых веществ, вредных веществ - загрязнителей атмосферы). Современные технологии позволяют создавать квантово-размерные объекты, такие как квантовые точки. Энергии возбуждения квантовых точек соответствуют энергии фотонов терагерцового излучения, поэтому с его помощью можно когерентно управлять такими объектами. Терагерцовое излучение безвредно для человека, что позволяет применять его для медицинской диагностики, в современных системах безопасности, экологического мониторинга, для контроля качества медикаментов и продуктов питания, высокоскоростной связи.
До настоящего времени терагерцовый диапазон остается мало изученным по сравнению с соседними - инфракрасным и микроволновым,
одной из причин этому является отсутствие соответствующей радиоэлектронной элементной базы. Разработанные во второй половине ХХ века источники когерентного ИК-излучения (лазеры) и микроволнового излучения (электронные приборы) плохо подходят для генерации излучения в промежуточном терагерцовом диапазоне; в случае лазеров, это связано с тепловым размытием лазерным уровней, а в случае электронных приборов - с конечным временем пролета электронов. Основным источником ТГц- излучения для исследований в частотно - перестраиваемом спектрометре на сегодняшний день являются лампы обратной волны (ЛОВ)[2], для которых характерны малая мощность и невысокая стабильность частоты излучения.
В конце 80-ых годов был совершен прорыв в терагерцовых исследованиях - был впервые продемонстрирован метод терагерцовой спектроскопии во временной области (TerahertzTime-DomainSpectroscopy, THz-TDS)[3]. Этот метод основан на генерации и детектировании когерентного терагерцового излучения с помощью импульсов одного и того же лазера. В отличие от других методов, где измеряется только огибающая импульса или мощность излучения, терагерцовая спектроскопия во временной области позволяет с высоким разрешением непосредственного детектировать электрическое поле терагерцового импульса, длительность которого - всего порядка 1 пс ( 10 12 с). Непосредственное измерение электрического поля позволяет извлечь информацию о сдвиге фазы терагерцового поля при его взаимодействии с объектом, а значит, открывает возможности для исследования сверхбыстрых (происходящих за доли пикосекунд) процессов.
Однако, и в частотной, и в тайм-доменной терагерцовой спектроскопии эффективность наблюдения в значительной мере зависит от эффективности взаимодействия зондирующей электромагнитной волны с исследуемым объектом, и если в силу каких - либо причин это взаимодействие слабое 7
(объект мал, или прозрачен на данных частотах), возникают сложности в получении достоверных спектральных характеристик. Для этих случаев в «низкочастотной» (СВЧ, КВЧ) области спектра применяются высокодобротные объемные резонаторы[4], в которых создается не однократное, а многократное взаимодействие зондирующего электромагнитного поля с исследуемым объектом. В терагерцовом диапазоне эту роль может играть открытый квазиоптический резонатор[5] в котором могут быть достигнуты высокие значения добротности, к тому же, такой резонатор удобен в перестройке и в доступе к рабочему пространству.
Важной особенностью ОР является его многочастотный, практически бесконечный спектр собственных колебаний, который потенциально позволяет при измерениях в широкой полосе частот пользоваться различными отдельными видами колебаний, не перестраивая резонатор во всем диапазоне. Вместе с тем, многочастотность, обусловленная наличием, кроме основного, еще и высших типов колебаний, может существенно затруднять возможности измерений.
Другой особенностью ОР, существенной при использовании его в широкополосной спектроскопии, является, как правило, узкополосная связь, не позволяющая реализовать все его спектральные возможности в широкой полосе частот.
Исследованиям указанных особенностей ОР и посвящена данная работа.
Целью работы является расширение возможностей радиоволновой спектроскопии слабопоглощающих материалов в ТГц-диапазоне путем применения резонатора открытого типа, образованного вогнутыми металлическими зеркалами. Исследование возможности использовать один такой резонатор для работы во всем ТГц-диапазоне частот.
Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие задачи:
- исследуются особенности возбуждения ОР в широкой диапазоне частот.
- изучается возможность селекции видов колебаний квазиоптического открытого резонатора с помощью адаптивной диафрагмы .
Для проведения исследований использовались проверенные математические, статистические, а также экспериментальные методы, основанные на применении различных источников излучения и сопоставлении полученных результатов. Последнее составляло основу достоверности результатов исследований.
В результате выполнения поставленных в работе задач было сформировано два научных положения, выносимых на защиту.
Новизна работы обусловлена впервые рассмотренной возможностью использования квазиоптического резонатора в радиоволновой широкополосной ТГц-спектроскопии слабопоглощающих объектов.
Практическая значимость результатов работы определяется интенсивно расширяющимся применением ТГц-излучения для анализа объектов различной физической природы, материалов и компонентов.
Магистерская диссертация состоит из введения, 3-х глав, заключения, списка цитированной литературы, 3-х приложений. В первой главе приведены результаты аналитического обзора литературы, обосновано применение открытого резонатора для достижения поставленной цели и сформированы возникающие при этом задачи. Во второй главе рассмотрены особенности возбуждения открытого резонатора в широкой полосе частот, в частности, изучается возможность осуществить широкополосную связь резонатора с квазиоптическим трактом спектрометра тонкой диэлектрической пленкой. В третьей главе обоснована и экспериментально подтверждена возможность селекции видов колебаний резонатора с помощью адаптивной диафрагмы, апертура которой изменяется синхронно с частотой излучателя спектрометра.
В терагерцовом диапазоне лежат спектры излучения астрономических объектов, а также спектры сложных органических молекул (таких как молекулы белков и ДНК, некоторых взрывчатых веществ, вредных веществ - загрязнителей атмосферы). Современные технологии позволяют создавать квантово-размерные объекты, такие как квантовые точки. Энергии возбуждения квантовых точек соответствуют энергии фотонов терагерцового излучения, поэтому с его помощью можно когерентно управлять такими объектами. Терагерцовое излучение безвредно для человека, что позволяет применять его для медицинской диагностики, в современных системах безопасности, экологического мониторинга, для контроля качества медикаментов и продуктов питания, высокоскоростной связи.
До настоящего времени терагерцовый диапазон остается мало изученным по сравнению с соседними - инфракрасным и микроволновым,
одной из причин этому является отсутствие соответствующей радиоэлектронной элементной базы. Разработанные во второй половине ХХ века источники когерентного ИК-излучения (лазеры) и микроволнового излучения (электронные приборы) плохо подходят для генерации излучения в промежуточном терагерцовом диапазоне; в случае лазеров, это связано с тепловым размытием лазерным уровней, а в случае электронных приборов - с конечным временем пролета электронов. Основным источником ТГц- излучения для исследований в частотно - перестраиваемом спектрометре на сегодняшний день являются лампы обратной волны (ЛОВ)[2], для которых характерны малая мощность и невысокая стабильность частоты излучения.
В конце 80-ых годов был совершен прорыв в терагерцовых исследованиях - был впервые продемонстрирован метод терагерцовой спектроскопии во временной области (TerahertzTime-DomainSpectroscopy, THz-TDS)[3]. Этот метод основан на генерации и детектировании когерентного терагерцового излучения с помощью импульсов одного и того же лазера. В отличие от других методов, где измеряется только огибающая импульса или мощность излучения, терагерцовая спектроскопия во временной области позволяет с высоким разрешением непосредственного детектировать электрическое поле терагерцового импульса, длительность которого - всего порядка 1 пс ( 10 12 с). Непосредственное измерение электрического поля позволяет извлечь информацию о сдвиге фазы терагерцового поля при его взаимодействии с объектом, а значит, открывает возможности для исследования сверхбыстрых (происходящих за доли пикосекунд) процессов.
Однако, и в частотной, и в тайм-доменной терагерцовой спектроскопии эффективность наблюдения в значительной мере зависит от эффективности взаимодействия зондирующей электромагнитной волны с исследуемым объектом, и если в силу каких - либо причин это взаимодействие слабое 7
(объект мал, или прозрачен на данных частотах), возникают сложности в получении достоверных спектральных характеристик. Для этих случаев в «низкочастотной» (СВЧ, КВЧ) области спектра применяются высокодобротные объемные резонаторы[4], в которых создается не однократное, а многократное взаимодействие зондирующего электромагнитного поля с исследуемым объектом. В терагерцовом диапазоне эту роль может играть открытый квазиоптический резонатор[5] в котором могут быть достигнуты высокие значения добротности, к тому же, такой резонатор удобен в перестройке и в доступе к рабочему пространству.
Важной особенностью ОР является его многочастотный, практически бесконечный спектр собственных колебаний, который потенциально позволяет при измерениях в широкой полосе частот пользоваться различными отдельными видами колебаний, не перестраивая резонатор во всем диапазоне. Вместе с тем, многочастотность, обусловленная наличием, кроме основного, еще и высших типов колебаний, может существенно затруднять возможности измерений.
Другой особенностью ОР, существенной при использовании его в широкополосной спектроскопии, является, как правило, узкополосная связь, не позволяющая реализовать все его спектральные возможности в широкой полосе частот.
Исследованиям указанных особенностей ОР и посвящена данная работа.
Целью работы является расширение возможностей радиоволновой спектроскопии слабопоглощающих материалов в ТГц-диапазоне путем применения резонатора открытого типа, образованного вогнутыми металлическими зеркалами. Исследование возможности использовать один такой резонатор для работы во всем ТГц-диапазоне частот.
Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие задачи:
- исследуются особенности возбуждения ОР в широкой диапазоне частот.
- изучается возможность селекции видов колебаний квазиоптического открытого резонатора с помощью адаптивной диафрагмы .
Для проведения исследований использовались проверенные математические, статистические, а также экспериментальные методы, основанные на применении различных источников излучения и сопоставлении полученных результатов. Последнее составляло основу достоверности результатов исследований.
В результате выполнения поставленных в работе задач было сформировано два научных положения, выносимых на защиту.
Новизна работы обусловлена впервые рассмотренной возможностью использования квазиоптического резонатора в радиоволновой широкополосной ТГц-спектроскопии слабопоглощающих объектов.
Практическая значимость результатов работы определяется интенсивно расширяющимся применением ТГц-излучения для анализа объектов различной физической природы, материалов и компонентов.
Магистерская диссертация состоит из введения, 3-х глав, заключения, списка цитированной литературы, 3-х приложений. В первой главе приведены результаты аналитического обзора литературы, обосновано применение открытого резонатора для достижения поставленной цели и сформированы возникающие при этом задачи. Во второй главе рассмотрены особенности возбуждения открытого резонатора в широкой полосе частот, в частности, изучается возможность осуществить широкополосную связь резонатора с квазиоптическим трактом спектрометра тонкой диэлектрической пленкой. В третьей главе обоснована и экспериментально подтверждена возможность селекции видов колебаний резонатора с помощью адаптивной диафрагмы, апертура которой изменяется синхронно с частотой излучателя спектрометра.
Проведенный обзор литературных источников показал высокую эффективность применения квазиоптического открытого резонатора для исследования радиоволновых спектральных свойств объектов различной физической природы, слабо возмущающих зондирующую волну при однократном взаимодействии. Из обзора также следует, что конфигурация ОР в принципе позволяет применять его в очень широкой полосе частот от нескольких десятков гигагерц и до оптических частот, где он применяется в лазерной технике.
В работе предложено решение, позволяющее исключить возбуждение высших типов колебаний, затрудняющих практическое использование ОР в измерениях в широкой полосе частот. Показана возможность и эффективность возбуждения ОР тонкой диэлектрической пленкой. С использованием нескольких экспериментальных установок показана возможность применения одного резонатора для работы в широком (от 30 до 700 ГГц) диапазоне частот электромагнитных колебаний.
Дальнейшее развитие данного направления исследований предполагает применение в качестве источников излучения ТГц - синтезаторов частот, обеспечивающих, по сравнению с ЛОВ-спектрометром, значительно более высокую стабильность частоты и мощности излучения.
В работе предложено решение, позволяющее исключить возбуждение высших типов колебаний, затрудняющих практическое использование ОР в измерениях в широкой полосе частот. Показана возможность и эффективность возбуждения ОР тонкой диэлектрической пленкой. С использованием нескольких экспериментальных установок показана возможность применения одного резонатора для работы в широком (от 30 до 700 ГГц) диапазоне частот электромагнитных колебаний.
Дальнейшее развитие данного направления исследований предполагает применение в качестве источников излучения ТГц - синтезаторов частот, обеспечивающих, по сравнению с ЛОВ-спектрометром, значительно более высокую стабильность частоты и мощности излучения.
