Методами пропускания

Цель работы: изучение методик получения оптических свойств объекта путём пропускания через него ТГц импульса.

Объект исследования: ТГц измерительная установка на пропускание, два образца исследуемого материала разной толщины.

Задачи, решаемые в работе:

1. Ознакомление с методиками измерения оптических свойств методами на пропускание:

а. Метод сравнения опорного сигнала и объектного сигнала

б. Метод сравнения двух объектных сигналов от двух образцов

2. Ознакомление с конструкцией ТГц измерительной установки.

3. Изучение алгоритмов расчёта показателя преломления n, показателя поглощения

СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ

В импульсной терагерцовой схеме волновая форма терагерцового импульса E(t) регистрируется путем получения выборки значений поля терагерцового импульса в различные моменты времени. Ультракороткий лазерный импульс расщепляется на импульс накачки и зондирующий импульс, которые используются, соответственно, для генерации и детектирования терагерцовых импульсов. Зондирующий лазерный импульс взаимодействует с определенным участком терагерцового импульса в детекторе. Терагерцовое поле регистрируется как функция временной задержки зондирующего импульса. Преобразование Фурье от волновой формы терагерцового импульса позволяет получить частотный спектр терагерцового импульса.

, (1)

где - зависимость комплексной амплитуды сигнала от частоты, - амплитудная составляющая, - фазовая составляющая

Терагерцовый спектр (1) принципиально является комплексной величиной. Терагерцовый импульс обычно содержит всего несколько осцилляций поля, поэтому его спектр может простираться более чем на октаву (в спектральном интервале, равном одной октаве, наибольшая частота в два раза превосходит наименьшую). Ширина спектра излучения импульсного терагерцового источника может составлять величину от 0,1 ТГц до 10 ТГц и даже более. Записывая волновую форму терагерцового импульса после его взаимодействия с некоторой мишенью и затем вычисляя спектр по формуле (1), можно получить спектральную характеристику мишени в диапазоне частот, присутствующих в спектре импульса. В связи с тем, что получение спектра происходит путем регистрации волновой формы (осциллограммы) импульса, то данный метод получил название терагерцовой спектроскопии во временной области (в англоязычной литературе – Terahertz Time-Domain Spectroscopy, THz TDS).

Метод, основанный на сравнении опорного и объектного сигналов пропускания.

Рис.1: Метод, использующий опорный и объектный сигналы пропускания

Как видно из иллюстрации (Рис. 1), в данном способе применяются измерения пропущенного сигнала, как через объект, так и через воздушное пространство (оно выступает в роли референтного образца).

На (Рис.2) показаны сигналы, прошедшие через воздушное пространство и через образец. Отчётливо видно, что при прохождении через объект импульс выходит с задержкой и ослабленной интенсивностью.

Рис.2 Пример временных форм объектного и опорного сигналов

В данном случае объектом служит слой полистирола толщиной 790мкм.

Из этих сигналов можно получить коэффициент поглощения , оптическую глубину проникновения , комплексный показатель преломления , а также диэлектрическую проницаемость при помощи следующих формул:

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

, (7)

где - коэффициент поглощения [м^-1], - диэлектрическая проницаемость (re – действительная, im - мнимая), - показатель преломления (re – действительная, im - мнимая), - глубина проникновения [м], и - амплитуды опорного и объектного сигналов, и - фазы опорного и объектного сигналов, - толщина объекта, - скорость света в вакууме, - частота [Гц].

Дисперсии амплитуд и фаз, необходимые для расчёта, получаются из сигнала путём преобразования Фурье. В данной лабораторной работе их можно получить, воспользовавшись программой Spectrina.

Результатом будут являться дисперсии показателя преломления (действительная и мнимая части), - коэффициент поглощения, -диэлектрическая проницаемость (действительная и мнимая части), - показатель преломления, - глубина проникновения.

Рис.3: Пример зависимости показателя преломления от частоты

На графике показатель преломления слоя полистирола толщиной 790 мкм.

Диапазон частот, который обеспечивает данный метод, расположен на промежутке 0.1-3.0 ТГц, при использовании более короткого по времени импульса возможно увеличение диапазона до 10.0 ТГц и выше, однако на практике наиболее достоверные результаты расположены на промежутке от 0.3 до 1.0 ТГц.

Также на общую точность измерения зависит точность измерения толщины объекта, тип, ширина и позиционирования оконной функции при выделении сигнала во время взятия преобразования Фурье.

Для тех, кто заинтересовался этим методом: более детально его можно изучить в книге [1].