WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 6 |

4. Разъяснить парадокс: Пусть у нас есть короткий импульс в несколько колебаний поля. С одной стороны, чем длительность импульса больше, тем уже его спектр. С другой стороны, при распространении импульса из-за нормальной дисперсии групповых скоростей более длинноволновые компоненты спектра распространяются быстрее коротковолновых, однако все компоненты в спектре присутствуют, т.е. он не изменяется.

5. Почему для моделирования работы стретчера достаточно указать только длительность импульса, а для компрессора необходимо также указать ширину спектра 6. Что будет на выходе компрессора, если на его вход подать спектрально ограниченный импульс ЛИТЕРАТУРА 1. http://en.wikipedia.org/wiki/Prism_compressor 2. http://en.wikipedia.org/wiki/Chirped_pulse_amplification#With_prisms 3. Г.Агравал Нелинейная волоконная оптика. — М.: Мир, 1996.

4 Лабораторная работа №ИМПУЛЬСНАЯ ТЕРАГЕРЦОВАЯ ГОЛОГРАФИЯ Цель работы: Ознакомиться с принципами обращения волнового фронта на примере терагерцовой (ТГц) голографии. Ознакомиться с теорией ТГц излучения.

Объект исследования: ТГц pump-probe установка с электро-оптическим детектированием с разрешением во времени.

Задачи, решаемые в работе:

1. Знакомство с ТГц технологиями и материалами.

2. Изучение механизмов обращения волнового фронта.

3. Выявление особенностей голографической техники в случае импульсного ТГц излучения.

4. Анализ зависимости качества восстанавливаемого изображения от геометрических параметров установки.

СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ Терагерцовая область частот ( 300 ГГц — 10 ТГц, рис. 4.1) представляет собой довольно значительную часть спектра оптического излучения, находящуюся между микроволновой радиочастотной и инфракрасной областью. В отличие от последних, ТГц область до последнего времени оставалась практически неизученной, что связано с отсутствием как источников достаточно мощного терагерцового излучения, так и при емников, способных зарегистрировать излучение в данной области спектра.

ТГц диапазон охватывает актуальную область колебательных, вращательных и трансляционных линий широкого класса органических и биологических молекул. Беспрепятственное проникновение сквозь дымы и туманы, одежду, бумагу, дерево, пластмассу, керамику и другие материалы открывает широкие возможности интравидения с разрешением вплоть до 100 мкм и высоким отношением сигнал/шум, вследствие малости рэлеевского рассеяния излучения в этом диапазоне. Небольшая энергия терагерцовых квантов и Рис. 4.1: Шкала электромагнитных излучений.

связанный с этим неионизующий характер терагерцового излучения открывает широкие возможности для его использования в биологии и медицине. В то же время энергия терагерцовых квантов соответствует колебательной энергии важных биологических молекул, включая молекулы ДНК и РНК, что позволяет осуществлять целенаправленное воздействие на них как в исследовательских, так и медицинских целях, стимулируя или подавляя развитие вирусов, клеток и их компонентов. Не менее перспективным с точки зрения практики является применение терагерцового излучения в медицине для визуализации, голографирования и томографии тканей, терапии и хирургии.

За последние пятнадцать лет вместе с развитием фемтосекундных твердотельных лазеров (в особенности лазеров на кристаллах сапфира, активированных ионами титана) и микроэлектроники, в исследованиях терагерцовой области наметился значительный сдвиг. В настоящее время наиболее развиты три метода получения предельно коротких ТГц импульсов с использованием фемтосекундных лазерных источников: генерация фотопроводящими антеннами, нелинейно-оптическая генерация разностной частоты или оптическое выпрямление, генерация с использованием оптического пробоя фемтосекундных импульсов в газах. Данные методы позволяют получать ТГц электромагнитное излучение с пиковыми амплитудами электрического поля до 100кВ · cм-1 при использовании фемтосекундных лазерных систем с усилителями.

Основные методы генерации широкополосного импульсного ТГц излучения.

Генерация фотопроводящими антеннами Одним из первых был реализован метод генерации фотопроводящей антенной при облучении фемтосекундными импульсами. Эффект генерации электромагнитного излучения поверхностью полупроводника, которая и является фотопроводящей антенной, при возбуждении его сверхкороткими фемтосекундными импульсами объясняется динамикой образования фотоносителей — электронно-дырочных пар и их сверхбыстрым движением в приложенном или приповерхностном электрическом поле. Согласно уравнениям Максвелла, возникающий при этом ток J(t) вызывает генерацию электромагнитного J импульса E(t), обычно в виде одного колебания со спектром, определяt емым Фурье-преобразованием его временной формы. Таким образом, поверхность полупроводника работает как динамическая фотопроводящая антенна, излучающая импульсы широкополосного электромагнитного излучения длительностью в сотни фемтосекунд. Центральная частота генерации в фотополупроводниках, как правило, находится в районе 1 - 2 ТГц. В качестве генераторов терагерцового излучения широко используются полупроводниковые кристаллы GaAs, InP и InAs. Для увеличения эффективности терагерцового излучения образцы кристаллов помещаются в сильные электрические или магнитные поля. Следует отметить, что интенсивность терагерцового излучения пропорциональна временным производным от концентрации электроннодырочных пар и их скорости движения в электрическом или магнитном поле, которая определяется подвижностью носителей заряда. Одним из наиболее высоких значений подвижности электронов 3 · 104см2/В · с обладают нелегированные кристаллы арсенида индияInAs, и именно на них достигнута в настоящее время наибольшая эффективность преобразования.

Оптическое выпрямление Большое пиковое электрическое поле излучения фемтосекундного импульса в видимом или ближнем ИК диапазонах спектра позволяет использовать нелинейную восприимчивость второго порядка (2) электрооптических кристаллов для генерации ТГц излучения. Нелинейное взаимодействие между любыми двумя частотными составляющими в пределах спектра фемтосекундного импульса наводит поляризацию P (ТГц) и позволяет излучать электромагнитные волны на частоте биений, причем поляризация пропорциональна интенсивности падающего импульса, т.е. в частотной области можно записать:

P (ТГц) (2)E (1) E (2) (2)E0 (4.1) где E (1) и E (2) — компоненты спектра фемтосекундного импульса, а ТГц = |1 - 2|. В дипольном приближении и в дальней зоне дифракции амплитуда терагерцовой волны пропорциональна второй производной по 2P времени от оптически наведенной поляризации EТГц.

tПоскольку обычно ширина спектра/длительность импульса фемтосекундного излучения составляет 10 ТГц/100 фс, то верхний предел ширины спектра и нижний предел длительности импульса ТГц излучения должны составлять приблизительно те же величины.

Этот механизм использовался для генерации ТГц излучения во многих электрооптических кристаллах, таких как ZnSe, GaSe, DAST. Помимо величины восприимчивости второго порядка, эффективность преобразования в ТГц излучение зависит от соотношения фаз взаимодействующих волн, т.е.

должно выполняться условие фазового синхронизма k = k1 - k2 - kТГц = 0 (4.2) где k — волновая расстройка между волновыми векторами волн накачки k1, k2 и волновым вектором ТГц импульса kТГц. Во многих нелинейных оптических материалах, например, таких как LiNbO3, фазовый синхронизм между ТГц волной и волной накачки не может быть достигнут в связи с тем, что показатель преломления данных материалов на ТГц частотах определяется приблизительно квадратным корнем из диэлектрической постоянной, который значительно больше чем показатель преломления в видимом и ближнем ИК диапазонах спектра. Фазовый синхронизм наблюдается в таких нелинейных материалах как ZnTe, GaSe, DAST, в которых длина когерентности составляет 0.1... 1 мм.

Генерация с использованием оптического пробоя Генерация ТГц излучения при фокусировке основной и второй гармоник фемтосекундного лазера в воздухе - один из самых новых способов генерации ТГц излучения, не требующая наличия какой либо специальной среды.

В настоящее время большинство научных групп связывают появление излучения разностной частоты с четырехволновым смешением излучения первой и второй гармоник фемтосекундного лазера накачки на плазменной нелинейности третьего порядка (3). Процесс описывается следующим образом:

поляризация на ТГц частоте P (ТГц) возникает при взаимодействии трех волн — двух волн накачки основной частоты E (1), E (2) и волны второй гармоники E (2):

P (ТГц) (3) E (2) E (1) E (2) (4.3) i,j,k,l Следует отметить, что для появления ТГц излучения в данном случае необходимо наличие плазмы или оптического пробоя газа — т.е. появления свободных электронов. Другое объяснение эффекта дано на основе модели поперечного плазменного тока, возникающего вследствие высвобождения электронов из молекул газа посредством туннельной ионизации. Появившиеся электроны ускоряются в асимметричном лазерном поле, образованного сложением колебаний первой и второй гармоник, что приводит к появлению составляющей скорости в поперечном направлении — т.е. поперечному току.

Поскольку процесс сильно нестационарный, и происходит в течении длительности импульса лазера (< 50 фс); ток J(t) вызывает генерацию электромагJ нитного импульса E(t), таким образом генерируя электромагнитный t импульс на ТГц частотах.

Детектирование импульсного ТГц излучения Для измерения мощности ТГц излучения могут быть использованы болометры и опто-акустические датчики. Для детектирования импульсного ТГц излучения могут использоваться также несколько методов. Первым приемником импульсного терагерцового излучения стала фотопроводящая антенна, электрооптическое детектирование, также получило широкое распространения из-за широкой полосы пропускания и возможности параллельного формирования изображений, буквально несколько лет назад в RPI(Troy, NY) сообщают о безматериальной ABCD (Air-Breakdown-Coherent-Detection) технике детектирования, аналогичной оптическому пробою.

В электро-оптической pump-probe схеме детектирования двулучепреломление в кристалле вызывается действием электрической компоненты терагерцового излучения, которая модулирует состояние поляризации пробного пучка при прохождении света через кристалл. Временная эволюция формы импульса во всех может быть получена изменением относительной длины траекторий терагерцового излучения и пробного пучка в кристалле. В ABCD технике совместная фокусировка ТГц излучения и пробного пучка в воздухе вызывает генерацию второй гармоники пробного пучка с интенсивностью, пропорциональной полю ТГц излучения, и временная форма также получается путем изменения разности хода пробного и ТГц пучков.

Применение импульсного ТГц излучения Ультракороткие ТГц оптические импульсы перспективны для внутренней и внешней связи в интегральных схемах, для спектроскопии с разрешением во времени и химического определения состава сложных соединений, для создания ТГц радаров и для целей оптической ТГц голографии или томографии с разрешением во времени (time domain T-ray imaging).

Общая схема time-domain генерации и детектирования ТГц излучения представлена на рис. 4.2.

Рис. 4.2: Общая схема установки для целей ТГц спектроскопии и голографии с разрешением во времени.

В схеме ТГц спектрографа лазерный пучок от фемтосекундного лазера разделяется на пробный пучок и пучок накачки. Пучок накачки падает на полупроводниковый кристалл InAs, помещенный в постоянное магнитное поле, где пут возбуждения фотоносителей и происходит генерация ТГц излучеем ния, которое потом собирается параболическим зеркалом, после чего освещает объект. Объект обладает некоторым амплитудно-фазовым пропусканием, при прохождении сквозь него происходит дифракция ТГц излучения. Пробный пучок, предварительно расширенный с помощью системы линз 5-6, и терагерцовый, коллинеарно проходят через электрооптический кристалл ZnTe, после чего измеряется поляризация прошедшего пробного излучения в каждой точке с использованием ПЗС матрицы. ТГц излучение в кристалле наводит двулучепреломление вследствие электрооптического эффекта. Картина двулучепреломления повторяет пространственное распределение амплитуды ТГц излучения, а при освещении кристалла поляризованной оптической волной фемтосекундного Ti:Sapphire лазера, пространственная картина может быть зарегистрирована обыкновенной ПЗС-камерой. С помощью линии оптической задержки производится изменение времени пересечения терагерцового излучения и пробного пучка в кристалле и таким образом, измеряя при различных задержках картину двулучепреломления можно измерить зависимость амплитуды ТГц излучения от времени в различных точках изображения объекта. Ниже мы покажем, как с использованием данной зависимости можно восстановить картину исходного объекта. Используя Фурье преобразование E(x, y, t), можно получить спектр пропускания в конкретных точках объекта, а также вычислить величину показателя преломления.

ОПИСАНИЕ ВИРТУАЛЬНОЙ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ Построение и восстановление изображений с помощью сверхширокополосных ультракоротких ТГц импульсов Рассмотрим объект, обладающий амплитудно-фазовым пропусканием, с которым жестко связана система координат (x, y). Плоскость регистрирующего экрана параллельна плоскости объекта и находится на расстоянии l от него. С плоскостью экрана связана система координат (, ), оси которой параллельны осям плоскости (x, y) (См. рис. 4.3).

На объект падает спектрально-ограниченный широкополосный ТГц импульс. При детектировании применяется временное сканирование терагерцового пикосекундного импульса инфракрасным фемтосекундным, что дает информацию об амплитуде сигнала в зависимости от разности хода импульсов, а имея амплитудную временную зависимость несложно с помощью преобразования Фурье перейти к комплексному спектру регистрируемого излучения, т.к. длительность одного примерно в 100 раз больше, чем у второго, разбиение широкого спектра на сумму монохроматических компонент не внесет Рис. 4.3: Схема виртуального эксперимента.

большой погрешности.

В случае распространения света в вакууме дисперсией можно пренебречь и, используя математическое выражение принципа Гюйгенса-Френеля, нетрудно найти амплитуду поля монохроматического излучения частоты в точке плоскости (, ).

U(,, ) = G(,, x, y, )U(x, y, )dxdy, (4.4) A где exp -i r(,, x, y) c G(,, x, y, ) =, (4.5) 2c r(,, x, y) - функция Грина, переводящая поле из плоскости (x, y) в плоскость (, ), в которой r(,, x, y) = l2 + (x - )2 + (y - )2 — расстояние между точками на объекте и голограмме.

Так как методика регистрации с разрешением во времени позволяет получить зависимость ТГц поля от времени в каждой точке голограммы, то есть такая регистрация является когерентной, из временного профиля излучения возможно перейти к комплексному спектру излучения в каждой точке, в которой проводилась регистрация:

F T U(,, t) -F U(,, ) (4.6) -Таким образом, мы получаем амплитуду и фазу для всех компонент спектра ТГц излучения, дифрагировавшего на объекте, в каждой точке области регистрации, что позволяет называть данную методику безопорной импульсной ТГц голографией.

В силу обратимости по времени уравнений Максвелла, мы можем рассмотреть возможность обращения волнового фронта во времени, функция Грина, переводящая поле из плоскости (, ) в плоскость (x, y) является комплексносопряженной к функции Грина, переводящая поле из плоскости (x, y) в плоскость (, ).

G(x, y,,, ) = G*(,, x, y, ), (4.7) Таким образом, для каждой длины волны можно получить поле в плоскости объекта (x, y) по распределению поля, зарегистрированного на голограмме (, ).

U(x, y, ) = G(x, y,,, )U(,, )dd, (4.8) A Интегрирование в формуле (4.8) следует проводить по всему размеру голограммы. В результате мы получаем пространственную спектральную картину в каждой точке плоскости объекта. На рис. 4.4 показано восстановление изображения объекта, полученное с помощью численного моделирования.

а) в) б) Рис. 4.4: Объект (портрет Ю.Н. Денисюка 256 256), полученная на нм дифракционная картина (1024 1024) и восстановленное изображение Работа с виртуальным прибором.

На Рис 4.5. Представлен интерфейс виртуального прибора. Прибор имеет следующие элементы управления:

Рис. 4.5: Лицевая панель виртуального прибора.

Select an object — позволяет загрузить в программу изображение с градациями серого, размер точки на объекте соответствует длине волны с частотой 1ТГц.

Set parameters — вызывает всплывающее окно для установки параметров, а именно:

– Distance — расстояние от плоскости объекта до экрана – Scale — масштаб экрана в размерах объекта (во сколько раз линейный размер голограммы будет больше линейного размера объекта).

Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 6 |






















© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.