В физике , терагерцовая во временной области спектроскопия ( ТГц-ТДС ) представляет собой спектроскопический метод , в котором свойство вещества зондировало с короткими импульсами терагерцового излучения . Схема генерации и регистрации чувствительна к влиянию образца как на амплитуду, так и на фазу терагерцового излучения. Измеряя во временной области, этот метод может предоставить больше информации, чем обычная спектроскопия с преобразованием Фурье , которая чувствительна только к амплитуде.
Объяснение [ править ]
Обычно в процессе генерации терагерцовых импульсов используется лазер с ультракороткими импульсами. При использовании низкотемпературного GaAs в качестве антенны ультракороткий импульс создает носители заряда, которые ускоряются для создания терагерцового импульса. При использовании нелинейных кристаллов в качестве источника высокоинтенсивный ультракороткий импульс генерирует ТГц излучение от кристалла. Один терагерцовый импульс может содержать частотные компоненты , охватывающие большую часть терагерцового диапазона, часто от 0,05 до 4 ТГц, хотя использование воздушной плазмы [ править ] может содержать частотные составляющие до 40 ТГц. После генерации импульса ТГц импульс направляется оптическими методами, фокусируется через образец, а затем измеряется.
THz-TDS требует генерации сверхбыстрого (таким образом, с большой полосой пропускания) терагерцового импульса из еще более быстрого фемтосекундного оптического импульса, как правило, из Ti-сапфирового лазера . Этот оптический импульс сначала разделяется для получения зондирующего импульса, который подвергается регулируемой настройке длины пути с использованием оптической линии задержки. Зондирующий импульс стробирует детектор, чувствительный к электрическому полю результирующего терагерцового сигнала во время отправленного на него оптического зондирующего импульса. Изменяя длину пути, проходимую пробным импульсом, тестовый сигнал измеряется как функция времени - по тому же принципу, что и стробоскопический осциллограф.(технически при измерении получают свертку тестового сигнала и временную характеристику стробированного детектора). Чтобы получить результирующий отклик в частотной области с использованием преобразования Фурье, измерение должно охватывать каждый момент времени (смещение линии задержки) результирующего тестового импульса. Отклик тестового образца может быть откалиброван путем деления его полученного таким образом спектра на спектр терагерцового импульса, полученного, например, с удаленным образцом.
Компоненты [ править ]
Компоненты типичного прибора THz-TDS, как показано на рисунке, включают инфракрасный лазер, оптические светоделители, зеркала управления лучом, каскады задержки, терагерцовый генератор, фокусирующую и коллимирующую оптику терагерцового диапазона, такую как параболические зеркала, и детектор.
Ti: сапфировый лазер [ править ]
Для построения THz-TDS-эксперимента с использованием антенн на основе низкотемпературного GaAs (LT-GaAs) требуется лазер, энергия фотонов которого превышает ширину запрещенной зоны в этом материале. Ti: сапфировые лазеры, настроенные примерно на 800 нм, соответствующие ширине запрещенной зоны в LT-GaAs, идеальны, поскольку они могут генерировать оптические импульсы длительностью до 10 фс . Эти лазеры доступны как коммерческие системы под ключ.
Зеркала заднего вида [ править ]
Зеркала с серебряным покрытием оптимальны для использования в качестве зеркал заднего вида для инфракрасных импульсов около 800 нм. Их отражательная способность выше, чем у золота, и намного выше, чем у алюминия на этой длине волны.
Светоделители [ править ]
Светоделитель используется для разделения единого ультракороткого оптического импульса на два отдельных пучков. Часто используется светоделитель 50/50, обеспечивающий одинаковую оптическую мощность терагерцового генератора и детектора.
Этап задержки [ править ]
Оптическая линия задержки реализована с использованием подвижного столика для изменения длины пути одного из двух путей луча. В ступени задержки используется движущийся ретрорефлектор для перенаправления луча по четко определенному пути вывода, но с задержкой. Движение предметного столика, удерживающего ретрорефлектор, соответствует регулировке длины пути и, следовательно, времени стробирования терагерцового детектора относительно терагерцового импульса источника.
Поле очистки [ править ]
Обычно используется продувочная камера, чтобы не происходило поглощения ТГц излучения молекулами газообразной воды. Вода, как известно, имеет множество дискретных поглощений в ТГц диапазоне, которые представляют собой моды вращения молекул воды. Азот, как двухатомная молекула, не имеет электрического дипольного момента и (для целей типичного ТГц-ТДС) не поглощает ТГц излучение. Таким образом, продувочная камера может быть заполнена азотом, чтобы не происходило непреднамеренное дискретное поглощение в ТГц диапазоне частот.
Параболические зеркала [ править ]
Внеосевые параболические зеркала обычно используются для коллимации и фокусировки ТГц излучения. Излучение от эффективного точечного источника, такого как антенна LT-GaAs (активная область ~ 5 мкм), падающее на внеосевое параболическое зеркало, становится коллимированным, в то время как коллимированное излучение, падающее на параболическое зеркало, фокусируется в точку (см. Диаграмму) . Таким образом, терагерцовым излучением можно управлять в пространстве с помощью оптических компонентов, таких как зеркала, а также линз, изготовленных из материалов, прозрачных для этих длин волн. Образцы для спектроскопии обычно помещают в фокус, где наиболее сконцентрирован терагерцовый луч.
Использование ТГц излучения [ править ]
ТГц излучение имеет несколько явных преимуществ для использования в спектроскопии . Многие материалы прозрачны для терагерцовых длин волн, и это излучение безопасно для биологических тканей, поскольку они не ионизируют (в отличие от рентгеновских лучей ). Многие интересные материалы имеют уникальные спектральные отпечатки в терагерцовом диапазоне, которые, таким образом, можно использовать для идентификации. Примеры, которые были продемонстрированы, включают несколько различных типов взрывчатых веществ , полиморфные формы многих соединений, используемых в качестве активных фармацевтических ингредиентов (API) в коммерческих лекарствах, а также несколько незаконных наркотических веществ [ необходима ссылка ]. Поскольку многие материалы прозрачны для ТГц излучения, к лежащим в их основе материалам можно получить доступ через визуально непрозрачные промежуточные слои. Хотя это и не является строго спектроскопическим методом, ультракороткая ширина импульсов ТГц излучения позволяет проводить измерения (например, толщину, плотность, расположение дефектов) на трудноизмеримых материалах (например, пенопласте). Эти возможности измерения во многом похожи на возможности импульсных ультразвуковых систем, поскольку глубину заглубленных структур можно определить по времени их отражения этих коротких терагерцовых импульсов.
Генерация ТГц [ править ]
Существует три широко используемых метода генерации терагерцовых импульсов, все из которых основаны на ультракоротких импульсах титан-сапфировых лазеров или волоконных лазеров с синхронизацией мод .
Поверхностные излучатели [ править ]
Когда сверхкороткий (100 фемтосекунд или короче) оптический импульс освещает полупроводник, и его длина волны (энергия) превышает ширину запрещенной зоны материала, он фотогенерирует подвижные носители. Учитывая, что поглощение импульса является экспоненциальным процессом, большинство носителей генерируется вблизи поверхности (обычно в пределах 1 микрометра). Это имеет два основных эффекта. Во-первых, он приводит к изгибу полосы, в результате чего носители разного знака ускоряются в противоположных направлениях (перпендикулярно поверхности), создавая диполь; этот эффект известен как поверхностная полевая эмиссия. Во-вторых, наличие самой поверхности создает нарушение симметрии, в результате чего носители могут перемещаться (в среднем) только в глубину полупроводника. Это явление в сочетании с различием подвижностей электронов и дырок также приводит к образованию диполя; это известно как фотоэффект Дембера , и он особенно силен в полупроводниках с высокой подвижностью, таких как арсенид индия .
Фотопроводящие излучатели [ править ]
При генерации ТГц излучения через фотопроводящий эмиттер сверхбыстрый импульс (обычно 100 фемтосекунд или короче) создает носители заряда (электронно-дырочные пары) в полупроводниковом материале. Этот падающий лазерный импульс резко переводит антенну из изолирующего состояния в проводящее состояние. Из-за электрического смещения, приложенного к антенне, через антенну проходит внезапный электрический ток. Этот изменяющийся ток длится около пикосекунды и, таким образом, излучает терагерцовое излучение, поскольку преобразование Фурье сигнала пикосекундной длины будет содержать компоненты ТГц.
Обычно два антенных электрода наносятся на низкотемпературный арсенид галлия (LT-GaAs), полуизолирующий арсенид галлия (SI-GaAs) или другую полупроводниковую подложку (например, InP ) . В обычно используемой схемы, электроды выполнены в виде простой дипольной антенны с зазором в несколько микрометров и имеют напряжение смещения до 40 V между ними. Сверхбыстрый лазерный импульс должен иметь длину волны , достаточную для возбуждения электронов через запрещенную зону. полупроводниковой подложки. Эта схема подходит для освещения титан-сапфировым генератором- лазером с энергией фотонов 1,55 эВ и энергией импульса около 10 нДж. Для использования с усиленными Ti: сапфировыми лазерами с энергией импульса около 1 мДж межэлектродный зазор может быть увеличен до нескольких сантиметров при напряжении смещения до 200 кВ.
Более поздние достижения в области экономичных и компактных систем THz-TDS основаны на источниках волоконных лазеров с синхронизацией мод, излучающих на центральной длине волны 1550 нм. Таким образом, фоторезисторы излучатели должны быть основаны на полупроводниковых материалов с меньшими шириной запрещенной зоны приблизительно 0,74 эВ , таких как Fe , легированных ионами индия арсенида галлия [1] или индия арсенида галлия / индия арсенида алюминия гетероструктуры . [2]
Малая длительность генерируемых ТГц импульсов (обычно ~ 2 пс ) в первую очередь связана с быстрым ростом фотоиндуцированного тока в полупроводнике и малым временем жизни носителей в полупроводниковых материалах (например, LT-GaAs). Этот ток может сохраняться от нескольких сотен фемтосекунд до нескольких наносекунд, в зависимости от материала, из которого состоит подложка. Это не единственный способ генерации, но в настоящее время (по состоянию на 2008 год [Обновить]) самый распространенный. [ необходима цитата ]
Импульсы , полученные этим способом , имеют средние уровни мощности порядка нескольких десятков микро ватт . [2] пиковая мощность во время импульсов может быть много порядков выше , из - за низкий рабочий цикл в основном> 1%, что зависит от частоты следования от лазерного источника. Максимальная ширина полосы результирующего ТГц импульса в первую очередь ограничена длительностью лазерного импульса, в то время как частотное положение максимума спектра Фурье определяется временем жизни несущей в полупроводнике. [3]
Оптическое выпрямление [ править ]
При оптическом выпрямлении высокоинтенсивный ультракороткий лазерный импульс проходит через прозрачный кристаллический материал, который излучает терагерцовый импульс без каких-либо приложенных напряжений. Это нелинейно-оптический процесс, при котором соответствующий кристаллический материал быстро электрически поляризуется при высоких оптических интенсивностях. Эта изменяющаяся электрическая поляризация испускает терагерцовое излучение.
Из-за необходимости высокой интенсивности лазера этот метод в основном используется с усиленными лазерами на сапфире с титаном . Типичными кристаллическими материалами являются теллурид цинка , фосфид галлия и селенид галлия.
Полоса пропускания импульсов, генерируемых оптическим выпрямлением, ограничена длительностью лазерного импульса, терагерцовым поглощением в материале кристалла, толщиной кристалла и несоответствием между скоростью распространения лазерного импульса и терагерцового импульса внутри кристалла. Как правило, более толстый кристалл будет генерировать более высокую интенсивность, но более низкие частоты ТГц. С помощью этого метода можно повысить генерируемые частоты до 40 ТГц (7,5 мкм) или выше, хотя 2 ТГц (150 мкм) используется чаще, поскольку для этого требуются менее сложные оптические настройки.
Обнаружение ТГц [ править ]
Электрическое поле терагерцовых импульсов измеряется детектором, который одновременно освещается ультракоротким лазерным импульсом. В THz-TDS используются две общие схемы обнаружения: фотопроводящий отбор и электрооптический отбор. Мощность терагерцовых импульсов может быть определена болометрами (тепловыми детекторами, охлаждаемыми до температур жидкого гелия), но поскольку болометры могут измерять только полную энергию терагерцового импульса, а не его электрическое поле с течением времени, они не подходят для ТГц-ТДС. .
Поскольку метод измерения является когерентным, он, естественно, отклоняет некогерентное излучение. Кроме того, поскольку временной интервал измерения чрезвычайно узок, вклад шума в измерение чрезвычайно низок.
Отношение сигнал / шум (S / N) результирующего сигнала во временной области, очевидно, зависит от экспериментальных условий (например, времени усреднения); однако из-за описанных методов когерентной выборки высокие значения отношения сигнал / шум (> 70 дБ) обычно наблюдаются при времени усреднения в 1 минуту.
Понижающее микширование [ править ]
Первоначальная проблема, ответственная за « терагерцовый промежуток » (в просторечии означает отсутствие техники в ТГц диапазоне частот), заключалась в том, что электроника обычно имеет ограниченную работу на частотах выше 10 12 Гц. Два экспериментальных параметра делают возможным такое измерение в THz-TDS с антеннами LT-GaAs: фемтосекундные «стробирующие» импульсы и время жизни носителей заряда в антенне <1 пс (что эффективно определяет время «включения» антенны). Когда все оптические пути имеют фиксированную длину, в детектирующей электронике возникает эффективный постоянный ток из-за их низкого разрешения по времени. Пикосекундное временное разрешение зависит не от быстрых электронных или оптических методов, а от способности регулировать длину оптического пути в масштабе микрометра (мкм). Для измерения конкретного сегмента ТГц импульса фиксируются длины оптических путей и (эффективный постоянный) ток на детекторе, обусловленный определенным сегментом электрического поля ТГц импульса.
Измерения THz-TDS обычно не являются однократными.
Фотопроводящее обнаружение [ править ]
Обнаружение фотопроводимости аналогично генерации фотопроводимости. Здесь смещение напряжения на выводах антенны создается электрическим полем терагерцового импульса, сфокусированным на антенну, а не какой-либо внешней генерацией. Электрическое поле ТГц пропускает ток через выводы антенны, который обычно усиливается узкополосным усилителем. Этот усиленный ток является измеряемым параметром, который соответствует напряженности ТГц поля. Опять же, носители в полупроводниковой подложке имеют чрезвычайно короткий срок службы. Таким образом, напряженность электрического поля ТГц измеряется только для чрезвычайно узкого среза ( фемтосекунды ) всей формы волны электрического поля.
Электрооптический отбор проб [ править ]
Материалы, используемые для генерации терагерцового излучения путем оптического выпрямления, также могут быть использованы для его обнаружения с помощью эффекта Поккельса , когда определенные кристаллические материалы становятся двулучепреломляющими в присутствии электрического поля. Двойное лучепреломление , вызванное электрическим полем терагерцового импульса приводит к изменению оптической поляризации импульса обнаружения, пропорциональной напряженности электрического поля ТГц. Это изменение поляризации измеряется с помощью поляризаторов и фотодиодов .
Как и в случае генерации, ширина полосы обнаружения зависит от длительности лазерного импульса, свойств материала и толщины кристалла.
Преимущества [ править ]
THz-TDS измеряет электрическое поле импульса, а не только его мощность. Таким образом, THz-TDS измеряет как амплитудную, так и фазовую информацию содержащихся в нем частотных компонентов. Напротив, измерение только мощности на каждой частоте, по сути, является методом счета фотонов; информация о фазе света не получена. Таким образом, форма сигнала не определяется таким измерением мощности однозначно.
Даже при измерении только мощности, отраженной от образца, можно получить комплексную константу оптического отклика материала. Это так, потому что сложный характер оптической постоянной не является произвольным. Действительная и мнимая части оптической постоянной связаны соотношениями Крамерса – Кронига . Применение соотношений Крамерса-Кронига в том виде, в котором они написаны, затруднено, поскольку информация об образце (например, отраженная мощность) должна быть получена на всех частотах. На практике удаленные друг от друга частотные диапазоны не оказывают существенного влияния друг на друга, и разумные ограничивающие условия могут применяться на высоких и низких частотах за пределами измеряемого диапазона.
THz-TDS, напротив, не требует использования соотношений Крамерса-Кронига. Путем измерения электрического поля ТГц импульса во временной области известны амплитуда и фаза каждой частотной составляющей ТГц импульса (в отличие от единственной информации, известной при измерении мощности). Таким образом, действительная и мнимая части оптической постоянной могут быть известны на каждой частоте в пределах используемой полосы пропускания терагерцового импульса, без необходимости использования частот за пределами используемой полосы пропускания или соотношений Крамерса-Кронига.
Ссылки [ править ]
- ^ M.Suzuki и М. Tonouchi (2005). «Имплантированные железом InGaAs терагерцовые излучатели для возбуждения с длиной волны 1,56 мкм». Письма по прикладной физике . 86 (5): 051104. Bibcode : 2005ApPhL..86e1104S . DOI : 10.1063 / 1.1861495 .
- ^ а б Р. Дж. Б. Дитц; Б. Глобиш; М. Герхард; и другие. (2013). «Импульсное терагерцовое излучение мощностью 64 мкВт из оптимизированных для роста гетероструктур InGaAs / InAlAs с разделенными фотопроводящими и улавливающими областями». Письма по прикладной физике . 103 (6): 061103. Bibcode : 2013ApPhL.103f1103D . DOI : 10.1063 / 1.4817797 .
- ^ Л. Дювийяре; Ф. Гарет; Ж.-Ф. Ру; Ж.-Л. Coutaz (2001). «Аналитическое моделирование и оптимизация экспериментов по терагерцовой спектроскопии во временной области с использованием фотопереключателей в качестве антенн». IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics . 7 (4): 615–623. Bibcode : 2001IJSTQ ... 7..615D . DOI : 10.1109 / 2944.974233 .
Дальнейшее чтение [ править ]
- CA Schmuttenmaer (2004). «Изучение динамики в дальнем инфракрасном диапазоне с помощью терагерцовой спектроскопии» (PDF) . Химические обзоры . 104 (4): 1759–1779. DOI : 10.1021 / cr020685g . PMID 15080711 . Архивировано из оригинального (PDF) 8 июля 2007 года. CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка )
| vтеЛазеры | |
|---|---|
| |
| Лазерная физика |
|
| Лазерная оптика |
|
| Лазерная спектроскопия |
|
| Лазерная ионизация |
|
| Лазерное изготовление |
|
| Лазерная медицина |
|
| Лазерный синтез |
|
| Гражданские приложения |
|
| Военное применение |
|
| |
Категория
Commons