Главная / Библиотека / Способы визуализации терагерцовых пучков

Способы визуализации терагерцовых пучков

Способы визуализации терагерцовых пучков

Введение

В последние годы фундаментальные и прикладные исследования с использованием терагерцового (ТГц) излучения стали активно развивающейся междисциплинарной областью, охватывающей различные научные и технологические сферы. При проведении исследований ТГЦ излучения для формирования представлений о физических процессах, являющихся неотъемлемой частью такого излучения, немалое значение имеет необходимость получения надежной информации о спектрально-временных, энергетических и пространственных параметрах импульса ТГц излучения. Для измерения временных и спектральных свойств ТГц источников существует несколько хорошо известных методов, таких как ТГц Фурье-спектроскопия, ТГц спектроскопия временного разрешения. Стандартными решениями для измерения ТГц энергии являются пироэлектрические детекторы, ячейки Голея и болометры. Однако в настоящее время доступно лишь ограниченное количество методов и инструментов для записи и визуализации пространственного распределения ТГц полей. Современное состояние в области ТГц визуализации отстает от того, что доступно для оптического и рентгеновского диапазонов. Решения для визуализации ТГц волн имеют более высокую стоимость, более низкие разрешение и динамический диапазон) и ограниченную доступность готовых продуктов. Несомненно, для любой области исследований, где используются мощные ТГц импульсы, необходимо получать эти данные напрямую с достаточной точностью, без длительных процедур и без использования дополнительных инструментов (аттенюаторов, фильтров, поляризаторов и т. д.), которые могут искажать волновой фронт, спектральный состав, пространственное распределение, что, в свою очередь, непосредственно влияет на оценки значений плотности энергии, интенсивности и напряженности электрического поля импульса ТГц излучения.

Исследователи ТГц волн показали, что при определенных параметрах ТГц импульса можно достичь условий, при которых возможна прямая визуализация ТГц излучения в спектральном диапазоне от 2 ТГц до 10 ТГц с использованием обычного полупроводника. Однако устройства, базирующиеся на ПЗС/КМОП матрицах, ограничивают спектральный диапазон визуализации ТГц излучения, поскольку энергия ТГц кванта (единицы мэВ) ничтожна по сравнению с шириной запрещенной зоны и средней энергией электронно-дырочной пары в полупроводнике. Например, для кремния эти значения равны 1.1 эВ и 3.6 эВ, соответственно, поэтому этот метод применим только для достаточно высоких значений напряженности электрического поля ТГц импульса (порядка МВ/см и выше), когда основными механизмами генерации электронно-дырочных пар становятся туннельный эффект и ударная ионизация.

В данной статье будут рассмотрены два способа визуализации ТГц полей: с применением ПЗС камеры и с применением микроболометрической камеры от Swiss Terahertz.

Визуализация ТГц излучения с применением ПЗС камеры

Экспериментальная схема генерации ТГц импульсов и способ измерения параметров пучка ТГц излучения в фокальной плоскости с использованием кремниевой ПЗС камеры показаны на рис. 1. Перед проведением экспериментов с датчика ПЗС камеры было снято защитное стекло для повышения ее чувствительности в ТГц диапазоне. Стоит отметить, что эта процедура не оказывает влияния на работу камеры в целом, но позволяет избежать дополнительного поглощения ТГц излучения в стекле и, соответственно, позволяет увеличить динамический диапазон ПЗС матрицы в ТГц диапазоне.

1
Рисунок 1. Схема экспериментальной установки для генерации ТГц импульсов и измерения параметров пучка с использованием ПЗС камеры

На рис. 2 приведены характерные изображения ТГц пятен в фокальной плоскости, полученные с применением ПЗС камеры для импульсов в спектральном диапазоне 1 - 3 ТГц. Однако из-за сильного нелинейного отклика ПЗС камеры в ТГц области спектра и низкого динамического диапазона ПЗС матрица быстро входит в режим насыщения, что затрудняет оценку реального размера пучка ТГц излучения, сфокусированного вблизи дифракционного предела, с напряженностью электрического поля выше порога насыщения. Чтобы вернуться в динамический диапазон, можно использовать ТГц аттенюаторы, однако их использование влияет на достоверность результатов измерений, например, после прохождения интенсивного ТГц импульса через аттенюатор, его спектральный состав может быть изменен, что приводит к изменению размера ТГц пучка в фокальной плоскости из-за линейной связи с длиной волны излучения.

2
Рисунок 2. Снимки ТГц пятна в фокальной плоскости, полученные с применением ПЗС камеры при использовании в схеме внеосевых параболических зеркал с различными фокусными расстояниями: а) фокусное расстояние 50.8 мм, энергия в импульсе, попадающая на датчик ПЗС камеры, 16 мДж; б) фокусное расстояние 76.2 мм, энергии в импульсе, попадающая на датчик ПЗС камеры, 37 мДж; (в) фокусное расстояние 101.6 мм, энергии в импульсе, попадающая на датчик ПЗС камеры, 76 мДж

Визуализация ТГц излучения с применением микроболометрической камеры

На рис. 3 показана схема регистрации фокального пятна ТГц излучения неохлаждаемой микроболометрической камерой RIGI производства компании Swiss Terahertz, установленной в фокальной плоскости фокусирующего элемента. Микроболометрические матрицы являются устройствами обнаружения излучения, принцип работы которых основан на измерении изменения электрического сопротивления) в ответ на изменение температуры.

3
Рисунок 3. Схема экспериментальной установки для генерации и анализа ТГц излучения с применением микроболометрической камеры (длина волны накачки 1300 нм, толщина кристалла 700 мкм)

Результаты регистрации фокального пятна ТГц излучения с применением терагерцовой камеры RIGI приведены на рис. 4. Снимки были получены с применением различных фильтров с ограниченной полосой пропускания, поскольку чувствительность микроболометрических датчиков обычно увеличивается с увеличением частоты, а высокие частоты соответствуют меньшим размерам фокального пятна. Измеренные радиусы зарегистрированных фокальных пятен показаны на рис. 4 (б).

4
Рисунок 4. Визуализация ТГц излучения микроболометрической камерой: а) пространственный профиль сфокусированного ТГц пучка с применением 18 ТГц фильтра низких частот, (б) размер фокального пятна ТГц пучка по горизонтальной (х) и вертикальной (у) осям

Таким образом, можно сделать вывод, что неохлаждаемые микроболометрические камеры являются перспективной и компактной платформой для визуализации ТГц излучения, позволяющей получать достоверные результаты измерений профиля распределения интенсивности и размера пятна в фокальной плоскости фокусирующего элемента.

Последние статьи
Спектроскопические свойства дифракционных решеток

Дифракционные решетки - очень полезный и популярный инструмент в спектроскопии. Благодаря свойству преломлять свет под различными углами, можно получать монохроматические пучки от обычных источников белого cвета...

Способы визуализации терагерцовых пучков

В последние годы фундаментальные и прикладные исследования с использованием терагерцового (ТГц) излучения стали активно развивающейся междисциплинарной областью, охватывающей различные научные и технологические сферы. При проведении исследований ТГЦ излучения для формирования представлений о физических процессах, являющихся неотъемлемой частью такого излучения, немалое значение имеет необходимость получения надежной информации о спектрально-временных, энергетических и пространственных параметрах импульса ТГц излучения...

Генерация терагерцового излучения путем накачки органических кристаллов Swiss Terahertz излучением ближнего инфракрасного диапазона спектра

В последние годы терагерцовые (ТГц) технологии получили интенсивное развитие. Основной движущей силой для этого стало быстрое расширение приложений, требующих генерацию ТГц волн...

Вращатели поляризации

Вращение поляризации (или преобразователи формы поляризации) проходящего монохроматического поляризованного пучка света можно реализовать с помощью фазовых пластин на основе нематических жидких кристаллов...

У Вас особенный запрос?
У Вас особенный запрос?
Весьма часто наши заказчики лучше нас знают, какое оборудование им нужно. В этом случае мы берём на себя общение с производителем, доставку, и таможенную очистку, а также все вопросы гарантийного периода. Пожалуйста, заполните эту форму, и мы свяжемся с Вами, чтобы помочь решить любую Вашу задачу. Или позвоните нам по телефону +7(495)199-0-199
Форма заявки
Ваше имя: *
Ваше имя
Ваш e-mail: *
Ваш телефон: *
Ваш телефон
Наши
контакты
г. Москва, ул. Бутлерова, д. 17Б, офис 502

г. Санкт-Петербург, Коломяжский проспект, 33 корпус 2