CC BY
51
УДК 681.785
А.С. Сырнева, В.В. Чесноков СГГА, Новосибирск
ПРОБЛЕМЫ СПЕКТРОСКОПИИ ИЗЛУЧЕНИЯ ТЕРАГЕРЦОВОГО ДИАПАЗОНА
A.S. Syrneva, V.V. Chesnokov
SSGA, Novosibirsk, [email protected]
PROBLEMS SPECTROSCOPY OF RADIATION TERAHERTZ OF A RANGE
The problem of a filtration of radiation in terahertz spectroscopy is extremely sharp. In the given work the state-of-the-art review of possible spectral devices terahertz a range is spent.
Введение
Терагерцовое излучение занимает отрезок в электромагнитном спектре между ИК и СВЧ-диапазонами. Сейчас уже производят различные устройства, способные генерировать и детектировать терагерцовое излучение, однако возможностей для управления этим излучением очень немного. Это затрудняет разработку многих перспективных приложений в электронике и фотонике.
Электромагнитные волны терагерцового диапазона (100 ГГц - 100 ТГц) поглощаются металлами, но они проникают через пластмассы, бумагу, сухую древесину. Его можно использовать в тех же применениях для просвечивания предметов, где сейчас используется рентген, однако, в отличие от рентгеновских лучей, Т-лучи не опасны, поскольку не производят ионизацию среды и повреждение биомолекул. Терагерцовые частоты примерно соответствуют колебательным частотам молекул. Отраженные, поглощенные в среде или прошедшие сквозь нее терагерцовые волны несут в себе богатейшую информацию об объекте. Все это определяет потенциально широкий спектр применения этого излучения. Однако этот частотный диапазон до сих пор у физиков называется «черной дырой». Связано это с трудностью генерации и детектирования этих волн.
Обзор устройств терагерцовой спектроскопии
В данном разделе будут рассмотрены следующие типы фильтров: сеточные фильтры; дисперсионные фильтры; интерферометры Фабри-Перо и монохроматоры.
Используемые конструкции
Сетчатые фильтры.
В работе [1] рассмотрены два типа металлических сеток, используемых в длинноволновых фильтрах. По аналогии с пропусканием линейных эквивалентных цепей они называются индуктивными и емкостными и имеют дополняющие друг друга характеристики отражения и пропускания. Емкостная сетка дает максимальное пропускание на низких частотах, где индуктивная сетка является прекрасным отражателем; поэтому в качестве
низкочастотных фильтров используется только емкостная сетка. Полосовые фильтры можно получить используя любой тип сеток.
Сетки бывают в виде плетеных проволочных полотен, гальванических никелевых сеток, золотых решеток и изготовленных методом фотолитографии медных сеток на кварцевых и майларовых подложках. Основные характеристики их спектров пропускания близки друг к другу: очень низкое коротковолновое пропускание, резкое возрастание пропускания до максимального значения и постепенный завал в сторону более длинных длин волн до практически нулевого пропускания. Плетеные проволочные полотна, конечно, отличаются сильной неплоскостностью. Фотолитографические сетки на кварцевых и майларовых подложках, естественно, являются строго плоскими. Другими параметрами, влияющими на пропускание и отражение сетки, являются коэффициент преломления подложки (если она имеется) и окружающей среды, а также электропроводность металла.
Фотолитографические сетки можно легко делать с различным значением а (шириной металлических полосок) для одного и того же периода g.
Порошковые фильтры с высоким пропусканием [1].
Использовался метод включения непрозрачных зерен материалов в пропускающую подложку. Лучше всего для этого подошел порошковый кварц. Кварц растирается в очень тонкий порошок и тщательно перемешивается с сажей и полиэтиленовым порошком. Затем смесь прессуется между нагретыми пластинами гидравлического пресса. Добавление таких компонент в основную смесь фильтра позволило получать фильтры с высоким пропусканием, граничной частотой в широком диапазоне длин волн и с очень крутым спадом частотной характеристики.
Интерферометры Фабри-Перо [1].
Узкополосные фильтры можно получить, разделяя две и более сетки параллельными прокладками. Такие решетки прозрачны для излучения с длиной волны, превышающей постоянную решетки, поляризованного так, что электрический вектор перпендикулярен проволочкам решетки.
В работе [2] были исследованы оптические свойства одной сетки, которая в дальнейшем использовалась как отражающая пластинка в интерференционном фильтре. Сетка имела постоянную g = 50 мкм при ширине полосок 2а ~ 12 мкм и их толщине около 6 мкм. Измерения проводились как с медными, так и с никелевыми сетками указанной геометрии без какой-либо подложки. Существенного различия в поведении медных и никелевых сеток не наблюдалось. Максимальное пропускание составило около 0,97 от À/g = 1 почти до A/g = 1,15.
Из металлической сетки (указанной выше) был изготовлен интерференционный фильтр с рабочей площадью диаметром более 6 см. Максимум пропускания в интервале длин волн от 100 до 800 мкм составил около 0,6. Сетка укреплялась на рамке. К сетке прижимается кольцо, которое плотно натягивало ее.
В статье приведены данные об отражающих и пропускающих свойствах металлических сеток и показана их высокая эффективность в качестве отражающих фильтров с чрезвычайно резкой границей пропускания для наиболее далекой инфракрасной области (от 100 мкм до 800 мкм).
Использованные металлические сетки были изготовлены из латунной проволоки; диаметр проволоки а менялся от 39 мкм до 177 мкм и расстояние d между центра соседних проволочек от 95 мкм до 384 мкм.
В работе [3] качестве примера характерных свойств металлической сетки рассмотрено пропускание и отражение сетки плотностью 100 меш в спектральной области от 10 до 800 мкм при угле падения 15°. В области коротких длин волн отражение мало и круто возрастает около 300 мкм, достигая постоянного значения, равного 95 %, при длинах волн выше 450 мкм. Пропускание имеет максимальное значение, составляющее около 70 %, при X = 280 мкм.
В работе [4] рассматривается устройство, являющееся сетчатым интерферометром Фабри-Перо (ИФП). Данный интерферометр является распространенным устройством в дальнем инфракрасном и субмиллиметровом диапазоне. Главные его преимущества: простота, высокая разрешающая способность и эффективность; к недостаткам можно отнести маленький свободный диапазон дисперсии, угловая чувствительность. Главные принципы работы ИФП таковы конструкция с неподвижным расстоянием между двумя измеренными сетками имеет хорошую стабильность и нуждается только в одной калибровке. Прибор состоит из: сетки, опорного кольца, кольцо корпуса, сменного покрытия и поворотного стола. Пропускание интерферометра составляет т = 70 %,
Л
относительный свободный спектральный диапазон S = 2,9-10- , разрешающая способность R = 600 и длина волны X = 120 мкм.
Монохроматор с дифракционной решеткой.
В работе [5] описывается создание монохроматора с дифракционной решеткой, предназначенного для исследований в области физики твердого тела. Для удаления нежелательных дифракционных порядков и рассеянного коротоковолного излучения использовался большой набор фильтров. Он состоял из двух дифракционных решеток, используемых в нулевом порядке; черных поглощающих фильтров из полиэтилена толщиной 0,25 мм; фильтра из скипидарной или камфорной сажи; пластин отражения остаточных лучей.
Дифракционные решетки использовались для измерений спектров поглощения сверхпроводящих и обычных металлов, где требовался очень низкий уровень шума.
Особенности выбора материалов оптических устройств с излучением в терагерцовом диапазоне. Работа [6] посвящена расчетам прохождения терагерцового излучения через плоскопараллельные пластинки и пленки. Все численные расчеты выполнены для диапазона длин волн 30 -300 мкм (частотный диапазон 10 - 1 ТГц). В работе представлены параметры ряда прозрачных материалов, пригодных служить оптическими элементами в терагерцовом диапазоне. К таким материалам относятся, например,
полипропилен, полистирол, тефлон, кремний, германий, алмаз [7], кристаллический кварц [7]. Одним из более перспективных светоделителей в терагерцовом диапазоне по совокупности механических и оптических свойств является полипропилен.
В работе [6] показан коэффициент отражения, пропускания и поглощения полипропиленовой пленки для р- и s-поляризаций при угле падения 45°. Также в данной работе показаны зависимости коэффициента пропускания для лавсаной пленки.
На рис. 2 и рис. 3 приведены расчетные зависимости пропускания, отражения и поглощения излучения как функции длины волны при нормальном падении на 100-микронную кремниевую (сплошная линия) и германиевую пластинки (пунктирная линия) высокой частоты.
1СР
10
10'
10
10
Л ^ г
1
\ / —' VII У ___ А
\ \ / 7 —Ц/ / VII1 х _______
„ \Ц/ \__^ > 11 N . . . А - - — ——
100 200 300
Рис. 2. Коэффициенты отражения, пропускания и поглощения полипропиленовой пленки толщиной 20 мкм при угле падения 45°: р-поляризация (пунктирная линия), s-поляризация (сплошная линия)
10'
10^
10^
10"'---------
120 140 160 180 200 220 240
Рис. 3. Коэффициенты отражения, пропускания и поглощения при нормальном падении для 100 мкм пластинки: из кремния (сплошная линия) и
германия (пунктирная линия)
Сравнительный анализ спектроскопических устройств терагерцового диапазона.
Для некоторых применений разрешение упомянутых устройств недостаточно, причинами этого могут быть поглощение излучения в материалах, недостаточная плоскостность сеток.
Для создания узкополосных фильтров терагерцового диапазона может быть применим эффект нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО), который используется при разработках фильтров оптического диапазона [8]. Такой фильтр является фактически интерферометром Фабри-Перо, в котором зеркала могут иметь значение коэффициента отражения близкое к единице. Однако использование этого эффекта требует применения материалов, не поглощающих излучение. В работах [9, 10] проведен анализ возможных параметров такого фильтра. Он является микромеханическим устройством и состоит из двух призм, наложенных друг на друга гипотенузными гранями. Между двумя кремниевыми призмами расположена плоская кремниевая пластинка. Пластинка отделена от призм зазорами И}. Кремниевая пластина является резонатором Фабри-Перо, зеркалами которого служат зазоры И}. Разрешение светофильтра составляет Я ~ 1,5-10 при И} = 50 мкм и Я ~ 3-105 при И} = 100 мкм при толщине кремниевой пластинки И = 65 мкм и длине волны X =100 мкм; свободная спектральная область ДХ/Х ~ 0,3...0,4, пропускание в максимуме спектральной характеристики 0,6 (при условии просветления входной и выходной катетных граней кремниевых призм).
Результаты расчетов, приведенные в работе [9,10], показывают, что использование эффекта НПВО в фильтрах излучения терагерцового
диапазона дает возможность получить фильтры с высокими спектральными характеристиками. Показано, что недостатком использования кремния для призм фильтра является значительное отражение на гранях призм, что может ухудшить разрешающую способность.
Заключение
Проведен обзор известных публикаций о создании спектральных приборов терагерцового диапазона и показано возможное направление дальнейших исследований.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Инфракрасные методы в космических исследованиях / Обзор современного уровня развития инфракрасных фильтров // С. Смит, Г. Хоула. - М.: Мир, 1977. - 384 с.
2. Длинноволновая инфракрасная спектроскопия / Интерференционные фильтры и интерферометры Фабри-Перо для далекой инфракрасной области // К. Ренк, Л. Генцель -М.: Мир, 1966. - 319 с.
3. Длинноволновая инфракрасная спектроскопия / Металлические сетчатые фильтры для даоекой инфракрасной области // А. Митсуиши, И. Отсука, С. Фидзита и др.-М.: Мир, 1966. - 319 с.
4. Kolobanov, E.I., Kotenkov, V.V and oth. High resolution mesh Fabry-Perot interferometers in experiments on free electron and gas lasers // Infrared and Millimeter Waves and 13th International Conference on Terahertz Electronics, 2005. IRMMW-THz 2005. The Joint 30th International Conference. - 2005. - V. 1, - P. 26 - 27.
5. Длинноволновая инфракрасная спектроскопия / Применение интерферометрии высокой разрешающей силы с Фурье преобразованием в далекой инфракрасной области спектра // П. Ричардс - М.: Мир, 1966. - 319 с.
6. Герасимов, В.В., Князев, Б.А., Рудыч, В.С. и др. Френелевское отражение в оптических элементах и детекторах для терагерцового диапазона / В.В. Герасимов, Б.А. Князев, В.С. Рудыч и др. // Препринт, Институт ядерной физики им Г.И. Будкера. - 2006.
7. Справочник по инфракрасной технике / У. Волф, Г. Цисис. Т. 2. Проектирование оптических систем - М.: Мир, 1998. - 347 с.
8. Кард, П.Г. Анализ и синтез многослойных интерференционных пленок / П.Г. Кард. - Таллин: Валгус, 1971. - 233 с.
9. Чесноков, В.В. Расчетные характеристики узкополосного фильтра терагерцового диапазона спектра / В.В. Чесноков, Е.Н. Чесноков, А.С. Сырнева. // Сб. матер. III Междунар. конгр. «ГЕО-Сибирь-2007». - Новосибирск, 2007 - Т.4., ч.1. - С.214-220.
10. Сырнева, А.С. Фильтры излучения терагерцового диапазона, использующие полное внутреннее отражение / А.С. Сырнева, В.В. Чесноков, Е.Н. Чесноков, А.И. Волохов // «Фотоника - 2008». - Новосибирск, 2008. - 170 с.
© А.С. Сырнева, В.В. Чесноков, 2009
