Методы импульсной терагерцовой голографии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

003483863

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ

ГОРОДЕЦКИЙ Андрей Александрович

МЕТОДЫ ИМПУЛЬСНОЙ ТЕРАГЕРЦОВОЙ ГОЛОГРАФИИ Специальность 01.04.05 —оптика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

1 9 Ь'оя <?

Санкт-Петербург 2009

003483863

Работа выполнена на кафедре фотоники и-Оптоинформатики Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор БЕСПАЛОВ Виктор Георгиевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор ВАРАНОВ Александр Васильевич, СПбГУ ИТМО

доктор физико-математических наук, профессор ТОЛМАЧЕВ Юрий Александрович, СПбГУ

Ведущая организация: Федеральное государственной унитарное предприятие «НИК «ГОИ им. С.И. Вавилова

п30

Защита диссертации состоится «8» декабря 2009 г. в ±1_ часов в аудитории

2<б5~ на заседании диссертационного совета Д 212.227.02 при Санкт-Петербургском государственном университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д. 49.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики.

Автореферат разослан « £ > Ноября 2009 г.

Отзывы и замечания по автореферату в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба высылать по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.227.02 доктор физико-математических наук, профессор \/ ' С.А. Козлов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Терагерцовая (ТГц) область частот, находящаяся в пределах от 300 ГГц до 10 ТГц, представляет собой довольно значительную область спектра электромагнитных излучений, находящуюся между микроволновым и инфракрасным диапазонами. В отличие от последних, излучение терагерцового диапазона до последнего времени практически не использовались, и количество знаний и ТГц технологий в настоящее врем сильно уступает технологиям, связанным с излучениями других частот электромагнитного спектра. Это было связано как с отсутствием источников достаточно мощного когерентного терагерцового излучения, так и приёмников, способных измерить основные характеристики излучения данной области спектра.

Развитие импульсной терагерцовой спектроскопии с разрешением по времени и связанных с ней терагерцовых технологий привело к появлению ещё одного способа изучения окружающего мира. Терагерцовому излучению нашлось большое количество потенциальных применепий —в медицине, микроэлектронике, сельском хозяйстве и мкогих других областях.

ТГц диапазон охватывает актуальную область колебательных, вращательных и травсляционкых линий широкого класса органических и биологических молекул [1]. Беспрепятственное проникновение сквозь дымы и туманы, одежду, бумагу, дерево, пластмассу, керамику и другие материалы открывает широкие возможности интра-видения, а небольшая энергия терагерцовых квантов и связанный с этим неионизу-ющий характер терагерцового излучения 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/или их компонентов.

Не менее перспективным является применение терагерцового излучения в медицине для визуализации, томографической и голографической регистрации тканей, терапии и хирургии [2]. ТГц голография и томография потенциально способны заменить и вытеснить рентген и ультразвук из медицинских исследований и дефектоскопии, поскольку с ростом вычислительных мощностей данная технология позволит получать трехмерный образ внутренних тканей с разрешением в несколько десятков микрон в реальном времени.

Разработка новых методов формирования изображений в ТГц диапазоне спектра безусловно является актуальным и востребованным направлением исследований.

Выбранное наиравление работы основано на анализе современных методов получения изображений в терагерцовом диапазоне. Стоит также упомянуть о спектральной информации, записываемой на голограмму по предлагаемому методу, что позволяет восстанавливать объекты, обладающие спектральными особенностями в терагерцовом диапазоне спектра и различать их друг от друга.

Цель работы. Исследование и разработка новых, методов записи и восстановления. изображений в терагерцовом диапазоне спектра. Проектирование и реализация установки для записи голограмм в терагерцовом диапазоне. Численный анализ разработанного метода —исследование разрешающей способности, устойчивости к шуму, качества восстанавливаемого изображения, а также поиск возможных путей повышения эффективности разработанного метода.

Задачи исследования: В рамках далной работы решались следующие задачи:

1. Анализ существующих методов генерации и детектирования импульсного терагер-цового излучения, записи и восстановления изображений с помощью импульсного ТГц излучения.

2. Разработка и реализация экспериментальной установки для целей импульсной те-рагерцовой голографии и спектроскопии.

3. Разработка математической модели безопорной и опорной импульсной ТГц голографии с разрешением во времени.

4. Программная реализация разработанной математической модели и проведение численных экспериментов.

5. Проведение экспериментов по записи ТГц голограмм на экспериментальной уста-незке и сравнение полученных результатов с результатами моделирования.

Методы исследования: Диссертационное исследование включает в себя теоретические и экспериментальные методы. К теоретическим методам относятся методы дифракционной оптики и цифровой голографии. Экспериментальное исследование включает создание установки и проведение измерений на ней, а также программную реализацию рассмотренных теоретических методов с последующим сравнением результатов измерений и моделирования. Программная реализация алгоритмов осуществляется в средах GCC в операционной системе Linux (может быть легко перенесено в любую GNIX-систему), с использованием многопоточных вычислений, реализованных с помощью библиотеки MPI.

Защищаемые положения. На защиту выносятся следующие положения:

Впервые разработаны методы опорной и безопорной импульсной терагерцовой

голографии и показано, что:

1. Возможно использование двух схем получения и восстановления голограмм с помощью импульсного ТГц излучения.

2. С использованием виртуальной опорной волны в методе опорной импульсной ТГц голографии увеличивается соотношение сигнал-шум в восстанавливаемом изображении по сравнению с безопорной.

3. ГГрозедена запись и восстановление изображения объекта с ТГц голограммы по методу безопорной импульсной ТГц голографии.

4. Аналитически и методом численного моделирования показано, что, при одинаковых условиях минимальный разрешаемый элемент в изображении, при восстановлении методом безогюрной импульсной ТГц голографии меньше, чем у метода опорной ТГц голографии

Научная новизна работы.

1. Проведен экспериментальный анализ и сравнение различных источников и приемников импульсного терагерцового излучения, различных методов ТГц спектроскопии и томографии. Выявлено, что спектральные характеристики ТГц приёмников на основе кристаллов СсГГе при использовании опорного излучения с длиной волны 1040 нм не зависят от толщины кристалла.

2. Разработана и собрана установка для целей терагерцовой голографии и спектроскопии.

3. Разработан пакет компьютерных программ для моделирования процесса импульсной терагерцовой голографии, как построения голограмм, так и восстановления моделированных или записанных на установке голограмм.

Теоретическая и практическая ценность.

1. Разработанный многопотсшый высокопроизводительный пакет программ может использоваться как для целей моделирования процесса импульсной ТГц голографии, так и для целей стандартной цифровой голографии, а также для исследования процесса дифракции на произвольных объектах излучений любого спектрального состава и конфигурации.

2. Разработанная установка для ТГц голографии и спектроскопии используется для проведения спектрального анализа веществ и материалов в терагерцовом диапазоне спектра.

3. Предложенный метод ТГц голографии может быть использован для целей дефектоскопии, локализации и детектирования потенциально опасных веществ.

Внедрение результатов работы. Установка по ТГц голографии спектроскопии успешно работает в центре фемтосекукдной оптики к фемтотехнологий СПбГУ ИТМО. Результаты, полученные на устанозке, использовались в ряде хоздоговорных работ.

Апробация работы. Результаты работы были представлены на IV-й межвузовской конференции молодых ученых (Санкт-Петербург 2007), XXXVIl-й научной и учебно-методической конференции С'ГОГУ ИТМО(Санкт Петербург 2007), V Международной конференция молодых ученых и специалистов «Оптика - 2007» (Санкт-Петербург 2007), V-й всероссийской межвузовской конференции молодых ученых(Санкт-Петербург 2008), XXXVIII-й научной и учебно-методической конференции СПбГУ ИТМО (Санкт-Петербург 2008), международном симпозиуме «Topical Problems of Biophotonics - 2007» (Нижний Новгород 2007), X Международном семинаре по квантовой оптике IWQO-2007 (Самара 2007), Всероссийском семинаре памяти Ю.Н. Денисюка (Санкт-Петербург 2007), меэкдународной конференции «HoloExpo - 2G07* (Москва 2007), международной конференции «SPIE Photonics West - 2008» (Сан-Хосе, США 2008), международной конференции «Electronic Processes in Organic Materials -2008» (Львов, Украина 2008), международной конференции «Laser optics for young scientists - 2008» (Санкт-Петербург 2008), международной конференции «SPIE Europe Security and Defence - 2008» (Кардифф, Влккобритания 2008), всероссийской конференции «Фундаментальные проблемы оптики - 2008» (Санкт-Петербург 2008), научной школе МИФИ - 2009 (Москва 2009), VI-й всероссийской межвузовской конференции молодых ученых (Санкт-Петербург 2009), международной конференции íMICS - 2009» (Трувилль, Франция 2009), всероссийской школе «Волны - 2009» (Москва 2009), международном симпозиуме «Tópica! Problems of Biophotonics - 2009» (Нижний Новгород 2009), VI Международной конференция молодых ученых и специалистов -Ютика - 2009» (Санкт-Петербург 2009). Доклады отмечены грамотами за лучший доклад среди молодых ученых на X Международном семинаре по квантовой оптике IWQO-2007 и на VI-й всероссийской межвузовской конференции молодых ученых.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 17 печатных работ, 7 из них - в изданиях, входящих в «Перечень ...» ВАК. Список публикаций приведён з конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения. Общий объем диссертации —121 страница, включая библиографию из 84 наименований. Работа содержит 41 рисунок, размещённый внутри глав.

б

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении содержится обоснование актуальности рассматриваемых в диссертации вопросов. Формулируются цель, задачи и методы исследования, кратко изложено содержание диссертации, обоснована актуальность темы, описаны методы исследования и структура работы.

В первой главе рассматриваются общие вопросы импульсной терагердовой оптики. Дается описание основных существующих методов генерации и детектирования импульсного терагерцового излучения. Выделены следующие три основных метода генерации импульсного терагерцового излучения с использованием источников фем-тосекундного оптического излучения:

1. Генерация с помощью фотопроводящюс антенн.

2. Генерация с помощью оптического детектирования.

3. Генерация с помощью пробоя в воздухе.

И следующие методы детектирования импульсного терагерцового излучения:

1. Детектирование с помощью фотопроводящих антеин.

2. Электро-оптическое детектирование.

3. Детектирование в лазерной искре (ТНг АВСО).

Проведен сравнительный анализ эффективности существующих методов съемки в ТГц диапазоне и возможности их применения.

Во второй главе представлен анализ и экспериментальные результаты по методам генерации ТГц излучения с использованием фемтосекундных лазерных источников: генерация фотопроводящим полупроводниковыми антеннами, нелинейно-оптическая генерация разностной частоты, или оптическое выпрямление, генерация с использованием оптического пробоя фемтосекунддых импульсов в газах. В качестве генераторов терагерцового излучения использовались: нелегированный полупроводниковый кристалл арсенида индия ГпАб, помещенный в магнитное иоле; электрооптический кристалл гпТе; органический кристалл ПАЭТ; оптическая искра в воздухе.

Эксперименты по генерации ТГц излучения проводились с использованием двух лазерных фемтосекундных систем: лазерной системы с активной средой на основе кристаллов сапфира с титаном по схеме задающий генератор —стрегчер —8-ми проходовый усилитель — компрессор (ФЛС); и фемгосекувдной волоконной системы, основанной на волокнах легированных эрбием ЕРОА-ЗН (ФВС).

Измерение средней мощности генерируемого терагерцового излучения проводилось спектрально-неселективным оптико-акустическим приемником (ОАП) с внутренними фильтрами, пропускающими электромагнитное излучение в диапазоне 50

мкм - 600 мкм.

Фотолроводлщая антенна.

В качестве ТГц генератора излучения использовался нелегированный кристалл арсенида индия InAs, вырезанный в плоскости [100] и представляющий собой пластину размерами 5x5 мм2 и толщиной 300 мкм. Концентрация основных носителей в кристалле составляла ~ 3 х 101а см-3, подвижность электронов - 3 х 104 с.м2/В ■ с.

Для увеличения плотности энергии излучение фемтосекуидного лазера фокусировалось на поверхности кристалла линзой с / = 100 см в пятно диаметром 500 мкм, при этом плоскость кристалла InAs располагалась под углом 45° к падающему пучку, поскольку вследствие большого значения показателя преломления для дальнего ИК диапазона, терагерцозое излучение испытывает полное внутреннее отражение, и отраженное излучение может быть полностью направлено на параболическое зеркало.

При фокусировке фемтосекундных импульсов с энертеей одиночного импульса до 1 нДж к средней мощностью 50 мВт на поверхность InAs без магнитного поля регистрировалось терагерцоЕое излучение со средней мощностью 2 нВг. Помещение InAs в магнитное поле напряженностью 1.8 кЭ и направлением параллельно поверхности кристалла приводило к увеличению мощности генерируемого излучения до 150 нВт. Зависимость средней мощности терагерцового излучения от средней мощности была квадратична. В магнитной системе происходило увеличение максимальной эффективности преобразования 7] и 10~5. В зависимости средней мощности терагерцового излучения от средней мощности отчетливо наблюдалось насыщение при плотности мощности Ю-4 Дж/см2 или при потоке 1014 фотонов/см2, приблизительно соответствующей количеству основных носителей в приповерхностном слое кристалла.

Оптическое выпрямление'

При фокусировке импульсов ФЛС с энергией одиночного кмпульсз до 1 мДж я средней мощностью до 50 мВт и после прохождения кристалла ZnTe толщиной 4 мм происходила генерация спектрального суперконтинуума, поэтому в экспериментах использовался исходный пучок лазера диаметром 5 мм. В этих условиях была получена средняя мощность ТГц излучения ~ 100 нВт.

При использовании кристалла DAST толщиной ~ 100 мкм в той же геометрии и параметров накачки средняя мощность возрастала и достигала 800 нВт. Была исследована зависимость эффективности ТГц генерации от расположения кристаллографических осей кристалла и поляризации излучения. На рис. 1 приведена зависимость интенсивности ТГц излучения от угла поворота кристалла, четко выраженные максимумы показывают, что эффективность генерации зависит от взаиморасположения

осей кристалла и поляризации возбуждающего излучения. Направление 0° - 180° (рис. 1) соответствует зертикальной оси кристалла DAST на рис. 2 В, при этом излучение накачки имело горизонтальную поляризацию.

Рис. 1. Зависимость интенсивности генерации ТГц излучения от угла поворота кристалла

Высокая эффективность преобразования в кристалле 1)АБТ позволили измерить пространственный профиль пучка методом ножа Фуко. Зиая профиль пучка между параболами и размеры возбуждаемой области кристалла, нетрудно рассчитать частоты, привносящие максимальный вклад в спектр излучения. Исходя из дифракционных расчетов, было показано, что максимум ТГц спектра приходится приблизительно на 1.2 ТГц.

Также были проведены эксперименты по возбуждению ТГц излучения в кристалле БАЙТ с использованием импульсов ФВС с энергией одиночного импульса 0,8 нДж, средней мощностью 40 мВт и длиной волны 780 нм. В геометрии рис. 2 с использованием фокусировки излучения накачки литой с / = 10 см в пятно диаметром 50 мкм была получена средняя мощность ТГц до 80 нВт, что открывает перспективы использования компактных источников фемтосекундиого излучения для ТГц приложений. Следует отметить, что в той же геометрии и параметрах, после прохождения пучка накачки кристалла ZnTe толщиной 4 мм средняя мощность ТГц составляла ~ 8 нВт.

Генерация с использованием оптического пробоя

Эксперименты проводились по схеме рис. 2, кристалл ВВО, генерирующий излучение второй гармоники (А = 400 нм), размещался между линзой и её фокусом на линейном трансляторе и перемещался вдоль оси пучка для обеспечения точного

I, OllL t-J.

о

■т

DAST.

Рис. 2 Оптическая схема проведения измерений средней мощности ТГц излучения. ФЛС — фемтосекундаая лазерная система; ГТГд—генератор терагерцового излучения; ОАП — оптико-акустический приемник; ВВО — генератор второй гармоааки, кристалл бетбгбората бария. На вставках: А — магнитная система для ТГц генерации в полупроводнике арсеиида индия; Б — кристалл М-4-диметиламино-4-^метил-стилбазол тозилата (ВАЭТ)

фазового синхронизма между волнами первой и второй гармоники.

В экспериментах использовалась ФЛС и порог оптического пробоя в воздухе происходил при суммарной энергии одиночного импульса первой и второй гармоники ~ 100 мкДж. Одновременно с пробоем появлялось излучение ТГц волн и спектрального сулерконтинуума.

При перемещении кристалла ВВО вдоль оси пучка наблюдалось синусоидальное изменение средней мощности ТГц излучения с контрастом свыше 50% (рис. 3). При максимальной суммарной энергии одиночного импульса первой и второй гармоники ~ 1 мДж и средней мощности 50 мВт была получека средняя мощность ТГц до 20 кВт.

Синусоидальное изменение средней мощности ТГц излучения при перемещении кристалла ВВО вдоль оси пучка можно объяснить когерентным сложением электрических полей волн первой и второй гармоник. Об этом свидетельствует тот факт, что период изменения, равный 30 мм, соответствует времени задержки 0.77 фс между импульсами первой и второй гармоник вследствие дисперсии воздуха, и приблизительно соответствует половине периода колебания на длине волны X = 400 нм (Г = 1.33фс) и четверти периода колебания на длине золны А = 800 [Т = 2.67 фс), а снижение мощности при отдалении кристалла второй гармоники — уменьшением се-

4.оое-ооэ

б.ооЕ-аю -

О.ООЕиЗОО

о

2 4 6 В

Сдвиг крисгшрга шорой гармомики (см)

Рис. 3. Зависимость средней мощности ТГц излучения от сдвига кристалла ВВО вдоль оси пучка накачки.

чения захватываемого ТГц излучения, генерируемого в нелинейном кристалле ВВО, эффективность которого для ТГц мала.

В третьей главе рассматривается метод импульсной терагерцовой голографии. Предлагается две реализации метода —безопорная схема и схема с использованием опорного источника.

Для точного математического описания метода следует учесть, что для длин волн тератерцового диапазона реальные расстояния от объекта до его голограммы соответствуют ближней зоне дифракции, так как условие приближения Френеля

где /з ~ 1 см - характерный поперечный размер объекта, Л т 300 мкм - дайна волны ТГц излучения, не выполняется. Для этих значений получаем г » 1.5 см, потому использование метода преобразования Фурье или Френеля для получения голограммы и ее восстановления недопустимо. Широкополосный спектр ТГц излучения представляется в виде суперпозиции монохроматических излучений. '

Рассмотрим объект, обладающий амплитудяо-фазовьш пропусканием V, с которым связана система координат (я, у). Плоскость регистрирующего экрана параллельна плоскости объекта и находится на расстоянии I от него. С плоскостью экрана связана система координат оси которой параллельны осям плоскости [х,у).

Нетрудно [3] найти амплитуду поля монохроматического излучения частоты и в точке голограммы с координатами (х,у).

(1)

= !! к{(„г]1х,у,ы)и(г,у,ы)<1хйу, (2)

А

где

2тгс г(£,г1,х,у) '

а г(£, г], х, у) = \/12 + (х ~ £)2 + (у — я)2 - расстояние между точками на объекте и голограмме.

При проведении измерений регистрируется зависимость ТГц поля от времени в каждой точке голограммы, поэтому восстановление объекта проходит следующим образом:

щс п, 0 и((,ч,ш) ^ 1Г(е,ч,ш) (4)

В силу обратимости по времени уравнений Максвелла, мы можем рассмотреть возможность обращения волнового фронта во времени, используя замену монохроматических компонент спектра на, комплексно сопряженные им значения. Таким образом, для каждой длины волны можно получить поле в точке объекта с координатами (т.,у) в зависимости от поля, зарегистрированного на голограмме в точках с координатами

¡7(1, у, ш) = Ц Л(?, у, х, У, п> (5)

А'

Интегрирование в формуле (5) следует проводить по всему размеру голограммы. В результате мы получаем пространственную спектральную картину в каждой точке плоскости объекта. Используя приведенные выше выражения, разработана, численная модель, с помощью которой получены и восстановлены дифракционные картины различных объектов (ряс. 4, рис. 5), что может быть интерпретировано как восстановление изображения исходного объекта по его картине дифракции.

а) б) в)

Рис. 4. Восстановление бинарного фазового объекта, а) - объект, б) - интерференционная картина от дифракций на объекте (сумма квадратов модулей амплитуд для членов ряда фурье) расстояние от объекта - 8 см, в) - восстановление

б)

Рис. Ь. Восстановление «серых» амплитудных объектов, а) - Объект (сторона квадрата 6 см), 6) интерференционная картина дифракции на объекте (на расстоянии 30 см) и в) восстановление

Рассмотрим добавление виртуального опорного источника. Для опорной записи, кроме обращения волнового фронта можно также рассмотреть возможность моделирования восстановления «стандартными» техниками вычислительной голографии или же восстановление в реальном эксперименте, с помощью масштабирования длины волны. Рассмотрим возможность изменения длины волны голограммы и связанные с этим масштабирования установки.

При замене частоты ш на аш, jQ и расстояния между плос-

костью объекта и плоскостью голограммы I ка ^, получим

^(¿AawWt^u;) (6)

\а a J

То есть после нормировки дифракционная картина никак не изменится, что говорит о возможности использования ее дня восстановления объекта с помощью излучения инфракрасного или видимого лазера. Для восстановления голограммы с опорным источником взята известная формула из работ по цифровой голографии

U[x,y,!jj) = jjft(i,»j,i,y,u!)/i''K,!?,3re/,2/I.e/,w)jt/'(?,7j,u)j d^dui (7) я

Рассмотрим разрешающую способность мегодоз (рис. 6):

Немаловажным явлением, особенно в time-domain измерениях является шум и его влияние на результат. Поэтому были проведены исследования влияния шума при регистрации голограммы зо времени на качество восстановления объекта (рис 7).

Видно, что шум во временной области значительно сильнее влияет на качество восстановления с помощью ОВФ, в то время как при восстановлении моделированием гслографического процесса шум практически не влияет на качество восстановленного объекта.

13

е) ж) з) и) к)

Рис. 6. Разрешающая способность при восстановлении с помощью ОВФ и моделировании голографического восстановления, а-д —ОВФ, е-к —модель голографического восстановления, площадь голограммы убывает от левой картинки к правой

г) Д) е)

Рис. 7. Влияние шума на восстановление. Восстановление без привнесения шума в голограмму (а, г), восстановление при шуме, составляющем 5% от сигнала (б, д), восстановление при шуме, составляющем 10% от сигнала (в, е)

Четвертая глава посвящена описанию экспериментальной установки для ТГц спектроскопии и голографии.

Основная идея предлагаемой ТГц голографической системы состоит в измерении картины дифракции ТГц излучения на объекте и дальнейшей математической обработки полученных данных.

Экспериментальная схема представлена на рис. 8. Б оптической схеме лазерный пучок от фемтосекундного Yb:KYW лазера Solar FL-1 (длина волны 1040 нм, длительность импульса около 200 фс, частота следования 80 МГц, средняя мощность 1 Вт) разделяется на пробный пучок и пучок накачки. Пучок накачки, пройдя через моторизированную линию оптической задержки (8МТ193-100), попадает на полупроводниковый кристалл InAs, помещенный в постоянное магнитное поле, где путём возбуждения фотоносителей (5] и происходит генерация ТГц излучения, которое потом коллимируется параболическим зеркалом, после чего освещает объект, помещенный

delay

Г

BS

^П FL

«m

Рис. 8. Экспериментальная схема наблюдения ТГц излучения. FL — Yb:KYW лазер фем-тосекукдаых световых импузд сов, BS — делитель пучка, delay— линия задержки, chopper — модулятор, IiiAs — кристалл 1пАз в магнитном поле, G —призма Глава, CdTe — регистрирующий электро-оптический кристалл CdTe, F —фильтр, за которым помещается объект, А/4 — фазовая пластинка, W — призма Волластона, d — фотодиоды, OPA — низкошумный операционный усилистель, LIA — синхронизированный усилитель, PC —компьютер

за фильтром во избежание попадания на него мощного инфракрасного излучения. Объект обладает некоторым амплитудно-фазовым пропусканием, и при прохождении сквозь него происходит дифракция ТГц излучения Пробный и терагерцовый, пучки голлкнеарно проходят через электрооптический кристалл CdTe, где ТГц излучение наводит двулучепредомление вследствие электрооптического эффекта. Картина двулучепреломления повторяет пространственное распределение амплитуды ТГц излучения [6].

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 получить зависимость амплитуды ТГц излучения от времени в различных точках изображения объекта Е(х, у, t) .

На приведенной на рис. 8 установке проведен эксперимент по восстановлению объекта, непрозрачного в ТГц диапазоне, по интерференционной картине дифрагировавшего на нем излучения.

Из рис. 9 видно соответствие восстановленного изображения объекту, что говорит о реализуемости предлагаемой методики.

В заключении сформулированы основные результаты и вызоды по проделанной работе.

aJ 6) в)

Рис. 9. Результаты эксперимента по восстановлению объекта, непрозрачного в ТГц диапазоне па его дифракционной картине, а) —объект, б) — дифракционная картина, 16 х 16

точек (размер точки 0.5 мм), в) — восстановленный объект.

Основные результаты работы: 1

„

1. Выполненный анализ методов генерации и детектирования терагерцового излучения показан, что для целей терагерцовой импульсной голографии и создания установки с использованием источника фс излучения Solar FL-1 наиболее перспективным генератором будет кристалл InAs, помещенный в магнитное поле, а детектором — кристалл CdTe.

2. Предложена и реализована эксериментальная установка для целей ТГц голографии и спектроскопии.

3. В результате исследования показано, что ширина спектра детектирования приемников ТГц излучения на основе кристаллов CdTe при использовании опорного излучения с центральной длиной волны 1040нм не зависит от их толщины.

4. Разработана математическая модель для описания методов импульсной голографии в ТГц диапазоне спектра.

5. Разработано многопоточное программное обеспечение, осуществляющее моделирование процесса записи и восстановления голограмм с помощью импульсного

i

ТГц излучения, как дня схемы без опорного источника, так и с опорным источником.

6. В рамках экспериментальной части исследования проведено восстановление бинарного объекта, приведено сравнение экспериментальных данных с данными моделирования, показано их соответствие друг другу.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Андреев А.А., Беспалов В.Г., Городецкий А.А., Козлов СЛ., Крылов В.Н., Луком-ский Г.В., Новоселов Е.В., Петров Н.В., Путилин С.9., Штумпф С.А. Генерация сверхширокополосного терагерцового излучения при оптическом пробое воздуха двумя разночасготкъшся фемтосекундными импульсами // Опт. и спектр. 2009, Т. 107, №4. С. 569-576.

7. Bespalov V.G., Gorodetsky А.А. ТНг Pulse Holography // Journal of Holography and Speckle. 2009 V. 5 P. 62-66

3. Беспалов В.Г., Городецкий А.А., Денисюк И.Ю., Козлов С.А., Крылов В.Н., Лу-комский Г.В., Петров Н.В., Путилин С.9. Методы генерации сверхширокополосных терагерцовых импульсов фемтосекундными лазерами // Опт. журн. 2008. Т.75 В. 10, С.636-642

4. Городецкий А.А. Экспериментальные результаты исследования генерации ТГц излучения с помощью кристаллов DAST и лазерной искры // Научно-технический вестник ИТМО. 2008. В. 49. С. 123-132.

5. Беспалов В.Г., Городецкий А.А. Моделирование безопорной голографической записи и восстановления изображений с помощью импульсного терагерцового излучения // Опт. журн. 2007. Т.74. В.11. С. 745-749

6. Городецкий А.А. Дифракция широкополосного терагерцового излучения на амплитудных и фазовых экранах, восстановление изображений по полученной картине дифракции // Научно-технический вестник ИТМО. 2007. В. 37. С. 256-262

7. Городецкий А.А., Беспалов В.Г. Получение изображений с помощью широкополосного терагерцового излучения // Научно-технический вестник ИТМО. 2006. В. 34. С. 44-48

8. Андреева О.В., Беспалое В.Г., Васильев В.Н., Городецкий А.А., Кушъаренко А.П., Лукамхжий Г.В., Парамонов А.А. Исследование спектральной селективности объемных голограмм с помощью импульсного излучения фемтосекундкой длительности // Опт. и спектр. 2004. Т.96, №2 C.lfeO-196

9. Gorodetsky A.A., Bespalov V.G. THz holography with reference beam // SP1E Proceedings. 2009. V. 7233

10. Gorodetsky A.A., Bespalov V.G. THz computational holography process and optimization // SPIE Proceedings. 2008. V.6893

11. Беспалов В.Г., Городецкий А.А. ТГц голография и интравидение, в сб. трудов семинара «Ю.Н. Денисюк —основоположник отечественной голографии». 2007. С. 88-93

12. Беспалов В.Г., Городецкий А. А. Импульсная голография без опорного пучка в ТГц диапазоне спектра, в сб. трудов научно-практической конференции «Голография в России и за рубежом. Наука и Практика». 2007. С. 72-74

13. Gorodetsky A.A., Bespalov V.G. Ultrabroadband THz Holography Without Reference Beam // Proceedings of Topical Problems of Biophotonics - 2007, pp. 311-313

14. Gorodetsky A.A., Bespalov V.G. Resolution in Ultrabroadband ТНг Holography // Proceedings of Topical Problems of Biophotonics - 2007, P. 307-309

15. Gorodetsky A.A., Bespalov V.G. THz Holographic System — Simulation and Experimental Approach // Proceedings of Topical Problems of Biophotonics - 2009, P. 279-282

16. Gorodetsky A.A., Bespalov V. G. Terahertz Puke Holography // Proceedings of Middle Infrared Coherent Sources - 2009, p. P07

17. Gorodetsky A.A., Bespalov V.G: Computational THz Imaging // Proceedings of ICO Topical Meetings on Optoinformatics/Information Photonics - 2006, p. 403

Цитируемая литература

1. В. Ferguson, S. Wang, D. Gray, D. Abbott, X.-C. Zhang, "Identification of biological tissue using chirped probe THz imaging"// Microelectronics Journal 33 (2002) 1043

2. X-C Zhang "Terahertz wave imaging: horizons and hurdles"// Phys. Med. Biol. 47 (2002) P. 3667

3. J.W. Goodman, Introduction to Fourier Optics, McGraw-Hill Book Co.,New York, N.Y., (1968).

4. U. Schnars, W. Juptner Digital Holography, Springer. (2005).

5. Беспалов В.Г., Крылов B.H., Путилин С.Э., Стаселько Д.И. "Генерация излучения в дальнем ИК диапазоне спектра при фемтосекундном оптическом возбуждении полупроводника InAs в магнитном поле"// Опт. и спектр. Т 92. №5 (2002).

6. Q. Wu and Х.-С. Zhang "Free-space electro-optic sampling of terahertz beams"//' Appl. Phys. Lett. 67 (24) (1995)

Тиражирование и брошюровка выполнены в учреждении «Университетские телекоммуникации» 197101, Санкт-Петербург, Сабликская ул., 14 Тел. (81.2) 233 4669 объем 1 п.л. Тираж 100 экз.

Введение

ГЛАВА 1. Методы импульсной терагерцовой оптики

1.1. Генерация импульсного терагерцового излучения в приповерхностном слое полупроводников (фотопроводящих антеннах)

1.2. Генерация импульсного терагерцового излучения с помощью нелинейного выпрямления оптических импульсов фемтосе-кундной длительности.

1.3. Генерация импульсного терагерцового излучения с помощью оптического пробоя воздуха.

1.4. Детектирование импульсного терагерцового излучения с помощью фотопроводящих антенн.

1.5. Электро-оптическое детектирование терагерцовых импульсов

1.6. Детектирование импульсного терагерцового излучения с помощью оптического пробоя воздуха.1.

1.7. Терагерцовая спектроскопия с разрешением во времени

1.8. Формирование изображений сканирующим сфокусированным пучком терагерцового излучения.

1.9. ТГц томография.

1.10. Компрессивная съемка в терагерцовом диапазоне.

ГЛАВА 2. Экспериментальное исследование методов генерации терагерцового излучения фемтосекундными импульсами

2.1. Генерация фотопроводящими антеннами.

2.2. Оптическое выпрямление.

2.3. Генерация с использованием оптического пробоя.

ГЛАВА 3. Математическая модель и численные эксперименты безопорного и опорного методов импульсной терагерцовой голографии ^

3.1. Математическая модель метода безопорной импульсной терагерцовой голографии

3.2. Математическая модель метода опорной импульсной терагерцовой голографии.

3.3. Оценка размера минимального разрешаемого элемента методов

3.4. Оценка влияния шума на качество восстановления

ГЛАВА 4. Экспериментальное исследование метода безопорной импульсной ТГц голографии

4.1. Описание экспериментальной установки.

4.2. Методика проведения измерений и обработки полученных данных

4.3. Экспериментальные результаты.

Терагерцовые (ТГц) технологии, работающие в наиболее длинновол новом оптическом интервале частот привлекают всё больший интерес вследствие широкого использования в научных целях, а также возможных применений для военной и гражданской техники. Возникновение этого направления исследований связано прежде всего с появлением технологий генерации и регистрации когерентного ТГц излучения в конце 80х годов XX века.

Терагерцовым излучением обычно называют излучение, лежащее в частотном интервале от 0.1 до 20 ТГц. Эти частоты занимают большую область спектра электромагнитных колебаний между инфракрасным и микроволновым диапазонами (рис 1). В различных единицах измерения 1 ТГц 1 не 300 мкм 33.3 см-1 4.1 мэВ 47.6 К.

109GH/ - 10ТН/

ИВДЙЙЙШМ! THz ИйиШмММ Gap infrared ivts:

Ю'9 Иг 101гН1 10м Нг И>"Н* 1«"Нх

J Ост аооцга Зат ЗОпт O.Jnm

Рис. 1. Шкала электромагнитных колебаний.

За последние двадцать лет с развитием фемтосекундных лазеров и микроэлектроники в исследованиях терагерцовой области наметился значительный сдвиг. Появилось несколько новых технологий генерации, управления распространением и детектирования терагерцового излучения.

В терагерцовой ооласти наблюдается огромное число спектральных особенностей веществ, связанных с такими фундаментальными процессами, как вращательные переходы молекул, колебательные моды больших органических соединений, колебания решетки в твердых телах, внутризон-ные переходы в полупроводниках и запрещенные зоны в сверхпроводниках. ТГц технологии используют эти уникальные особенности отклика различных веществ и материалов на ТГц излучение.

По сравнению с излучениями соседних диапазонов, радиоволнами и инфракрасным излучением, ТГц излучение гораздо хуже проходит сквозь атмосферу. Это связано с вращательными линиями молекул, присутствующих в ее составе, наибольший вклад в ослабление ТГц излучения вносит поглощение водяными парами, содержащимися в атмосфере. При разработке устройств, использующих ТГц излучение следует учитывать данную его особенность.

Четкие структуры спектральных линий различных молекулярных соединений могут быть использованы для идентификации таких веществ. Кроме того, формы спектральных линий позволяют получать информацию о микроскопических механизмах столкновений молекул. ТГц спектроскопия высокого разрешения используется для наблюдения за атмосферой Земли и наблюдения молекул в межзвёздной среде.

Спектральные особенности органических и биологических молекул в ТГц области сг-язаны с колебательными процессами с большой амплитудой и межмолекулярными взаимодействиями. ТГц спектроскопия позво ляет анализировать такую молекулярную динамику, потому может быть применима для детектирования взрывчатых и наркотических веществ, проверки лекарственной продукции, исследования конформации белка и т.д.

Основываясь на оптических свойствах в ТГц диапазоне, вещества можно разделить на три группы: вода, металлы и диэлектрики. Вода, сильно нолярная жидкость, хорошо поглощает излучения ТГц диапазона. Из-за высокой электрической проводимости металлы имеют высокий коэффициент отражения в ТГц дипазоне спектра. Неполярные и неметаллические материалы, т.е. диэлектрики, такие как бумага, пластик, ткань, дерево и керамика, хоть, как правило, и непрозрачны для излучения видимого диапазона, прозрачны в ТГц области. Краткое описание оптических свойств каждого из трех типов материалов приведено в табл. 1.

Таблица 1

Оптические свойства различных типов веществ в ТГц диапазоне спектра

Материал Свойство жидкая вода высокий коэффициент поглощения (а ~ 250см.-1 на 1 ТГц) металл высокий коэффициент отражения (>99.5% на 1 ТГц) пластик низкий коэффициент поглощения (а < 0.5 см-1 на 1 ТГц) низкий показатель преломления (n ~ 1.5) полупроводник низкий коэффициент поглощения (а < 1 см-1 на 1 ТГц) высокий показатель преломления (n ~ 3 — 4)

Высококонтрастные особенности в спектральных картинах ТГц диапазона спектра полезны для многих прикладных задач. Так как большая часть упаковочных материалов— диэлектрики, получение изображений с помощью излучения ТГц диапазона применяется для неразрушающего контроля упакованных отправлений. Из-за высокого поглощения воды в ТГц диапазоне спектра, области, содержащие воду, могут быть легко отличимы от более сухих областей. Металлические объекты также могут быть легко обнаружены в силу их высокой отражательной способности и полной непрозрачности. ТГц излучения используется для обнаружения оружия, взрывчатых и наркотических веществ, укрытых стандартными упаковочными материалами. Высокая чувствительность ТГц излучения к присутствию воды полезна для медицинский применений, потому как малое изменение содержания воды в биологической системе может привести к необратимым изменениям.

Следствием научных исследований терагерцовому излучению нашлось большое количество потенциальных применений — в медицине, микроэлектронике, системах обеспечения безопасности, дефектоскопии и многих других областях. Равно как с помощью видимого света можно получать фотографии, с помощью радиоволн можно передавать информацию, а с помощью рентгеновских лучей — просвечивать человеческое тело насквозь, с помощью терагерцового излучения возможно совершать все вышеперечисленное. Ультракороткие ТГц оптические импульсы в настоящее время перспективны для внутренней и внешней связи в интегральных схемах, для целей спектроскопии дальнего ИК диапазона с разрешением во времени и химического определения состава сложных соединений, для создания ТГц радаров, для целей оптической ТГц томографии с разрешением во времени (см. рис 2).

ФОРМИРОВАНИЕ ИЗОБРАЖЕНИЙ СПЕКТРОСКОПИЯ

О Г И Я . .г— яендщцям • .биология У 1 докшяькююа» Mtuiej

Рис. 2. Применения ТГц излучения

Трудность получения электромагнитного излучения в данном диапазоне частот заключалась в том, что со стороны микроволнового диапазона практически невозможно за счет модификации излучателей получить излучение с частотой значительно большей нескольких сотен ГГц, хотя излучение таких источников может быть гармонически умножено до терагерцового диапазона.

В начале 90-х годов несколькими группами исследователей было показано, чт'о при освещении некоторых фотополупроводников фемтосе-кундными импульсами света поверхность образцов излучает когерентные сверхкороткие широкополосные импульсы в дальнем ИК диапазоне 10 мкм —1 мм [1-3]. Наряду с возбуждением фотоносителей, ТГц излучение может генерироваться в процессе коллективного оптического возбуждения электронов в гетероструктурах и квантовых ямах. Возможно получение ТГц излучения при фокусировке первой и второй гармоник излучения фемтосекундного лазера в воздух [4,5], при нелинейно-оптическом выпрямлении высокоинтенсивного импульса [6]. Обычно, в качестве источников накачки используются фемтосекупдные лазеры на сапфире с титаном (Ti:Sa) с длиной волны генерации 800 нм, достаточной для возбуждения электронно-дырочных пар во многих полупроводниках, но существует и большое число работ, в которых описано использование и других источников фемтосекундных импульсов.

Для детектирования терагерцового излучения могут использоваться также несколько методов. Хронологически первым приемником свободного терагерцового излучения стала фотопроводящая антенна [7]. Электро-оитическое детектирование, впервые продемонстрированное 15 лет назад [8] получило широкое распространения из-за широкой полосы пропускания и возможности параллельного формирования изображений. В электрооптической установке двулучепреломление в кристалле, вызванное действием приложенного поля. Терагерцовое излучение модулирует поляризацию пробного пучка при прохождении через него. Модулированная эллиптическая поляризации затем может быть проанализирована, что даст информацию об амплитуде и фазе зарегистрированного электрического поля в зависимости от времени. Временная эволюция формы импульса может быть получена изменением оптического пути терагерцового излучения или пробного пучка от длителя до кристалла. Чувствительность системы может быть улучшена путем увеличения длины взаимодействия импульса ноля и пробного пучка в кристалле, для чего может понадобиться замена кристалла на более крупный.

Для управления пучком терагерцового излучения используются металлических зеркала, пластиковые (ТРХ) линзы и линзы из высокоомного кремния. При исследовании материалов с помощью терагерцового излучения, исследуемый образец помещается в пучок, и спектр прошедшего или отраженного излучения позволяет получить информацию о веществе.

Большое число работ, связанных с сверхкороткими (длительностью в один-два периода) ТГц импульсами, посвящено вопросам спектроскопии, в том числе и с разрешением во времени. ТГц спектроскопия позволяет измерять спектры в диапазоне частот 0.2 — 2 ТГц или 6.6 — 66 см-1, что очень важно для исследований органических молекул, содержащих водородные и углеродные связи. Для изучения данных процессов эффективным методом является абсорбционная спектроскопия с разрешением во времени, заключающаяся в возбуждении фемтосекундным оптическим импульсом, инициирующим изомеризацию, и дальнейшим мониторингом поглощения в ТГц диапазоне с задержкой, относительно возбуждающего импульса. (

К настоящему моменту разработано несколько методов формирования изображений с помощью импульсного ТГц излучения. Исторически первым был метод поточечного сканирования объекта пучком сфокусированного ТГц излучения [9], в результате сканирования возможно получить спектр пропускания или поглощения в каждой точке объекта [10], что позволяет выделять в том числе скрытые спектральные аномалии [11]. Вторым методом является сканирующая рефлектометрическая томография с разрешением во времени [12], позволяющая получать трехмерные изображения объектов, прозрачных в ТГц диапазоне в режиме I отражения. Кроме этого, существует метод съемки с использованием переноса изображения объекта в плоскость приемника-регистратора с помощью софокусиых линз [13]. Также существует несколько методов терагерцовой томографии [14], таких как дифракционная томография, вычислительная томография и томография с использованием зонных пластин френеля.

Настоящая работа посвящена разработке и исследованию методов получения изображений в ТГц диапазоне спектра — импульсной ТГц голографии. В работе описаны разработанные автором голографические методы записи и восстановления изображений - метод безопорной импульсной ТГц голографии и метод ТГц голографии с использованием опорного источника. Исследованы условия, влияющие на качество восстановления каждым из методов, аналитически и с помощью численного моделирования оценен размер минимального разрешаемого элемента в каждом из методов, влияние шума на восстановление. Разработана и реализована экспериментальная установка для целей импульсной ТГц голографии и спектроскопии, в рамках разработки рассмотрены различные механизмы генерации и детектирования ТГц излучения.

Цель работы.

Исследование и разработка новых методов записи и восстановления изображений в терагерцовом диапазоне спектра. Проектирование и реализация установки для записи голограмм в терагерцовом диапазоне. Численный анализ разработанного метода — исследование разрешающей способности, устойчивости к шуму, качества восстанавливаемого изображения, а также поиск возможных путей повышения эффективности разработанного метода.

Задачи исследования:

В рамках данной работы решались следующие задачи:

1. Анализ существующих методов генерации и детектирования импульсного терагерцового излучения, записи и восстановления изображений с помощью импульсного ТГц излучения.

2. Разработка и реализация экспериментальной установки для целей импульсной терагерцовой голографии и спектроскопии.

3. Разработка математической модели безопорной и опорной импульсной ТГц голографии с разрешением во времени.

4. Программная реализация разработанной математической модели и проведение численных экспериментов.

5. Проведение экспериментов по записи ТГц голограмм на экспериментальной! установке и сравнение полученных результатов с результата4 ми моделирования.

Методы исследования: Диссертационное исследование включает в себя теоретические и экспериментальные методы. К теоретическим методам относятся методы дифракционной оптики и цифровой голографии. Экспериментальное исследование включает создание' установки и проведение измерений на ней, а также программную реализацию рассмотренных теоретических методов с последующим сравнением результатов измерений-и моделирования. Программная реализация алгоритмов осуществляется в средах GCC в операционной системе Linux (может быть легко перенесено в любую UNIX-систему), с использованием многоноточ-ных вычислений, реализованных с помощью библиотеки MPI.

Защищаемые положения. На защиту выносятся следующие положения:

Впервые разработаны методы опорной и безопорной импульсной тера-герцовой голографии и показано, что:

1. Возможно использование двух схем получения и восстановления голограмм с помощью импульсного ТГц излучения.

2. С использованием виртуальной опорной волны в методе опорной импульсной ТГц голографии увеличивается соотношение сигнал-шум в восстанавливаемом изображении по сравнению с безопорной.

3. Проведена запись и восстановление изображения объекта с ТГц голограммы по методу безопорной импульсной ТГц голографии.

4. Аналитически и методом численного моделирования показано, что, при одинаковых условиях минимальный разрешаемый элемент в изображении, при восстановлении методом безопорной импульсной ТГц голографии меньше, чем у метода опорной ТГц голографии

Научная новизна работы.

1. Проведен экспериментальный анализ и сравнение различных источников и приемников импульсного терагерцового излучения, различных методов ТГц спектроскопии и томографии. Выявлено, что спектральные характеристики ТГц приёмников на основе кристаллов CdTe при использовании опорного излучения с длиной волны 1040 нм не зависят от толщины кристалла.

2. Разработана и собрана установка для целей терагерцовой голографии и спектроскопии.

3. Разработан пакет компьютерных программ для моделирования процесса импульсной терагерцовой голографии, как построения голограмм, так и восстановления моделированных или записанных на установке голограмм.

Теоретическая и практическая ценность.

1. Разработанный многопоточный высокопроизводительный пакет программ может использоваться как для целей моделирования процесса импульсной ТГц голографии, так и для целей стандартной цифровой голографии, а также для исследования процесса дифракции на произвольных объектах излучений любого спектрального состава и конфигурации.

2. Разработанная установка для ТГц голографии и спектроскопии используется для проведения спектрального анализа веществ и материалов в терагерцовом диапазоне спектра.

3. Предложенный метод ТГц голографии может быть использован для целей дефектоскопии, локализации и детектирования потенциально опасных веществ.

Внедрение результатов работы. Установка по ТГц голографии спектроскопии успешно работает в центре фемтосекундной оптики и фемтотехнологий СПбГУ ИТМО. Результаты, полученные на установке, использовались в ряде хоздоговорных работ.

Апробация работы. Результаты работы были представлены на IV-й межвузовской конференции молодых ученных (Санкт-Петербург 2007), XXXVII-й научной и учебно-методической конференции СПбГУ ИТ-МО (Санкт Петербург 2007), V Международной конференция молодых ученых и специалистов «Оптика - 2007» (Санкт-Петербург 2007), V-й всероссийской межвузовской конференции молодых ученых (Санкт-Петербург 2008), XXXVIII-й научной и учебно-методической конференции СПбГУ ИТМО (Санкт-Петербург 2008), международном симпозиуме «Topical Problems of Biophotonics - 2007» (Нижний Новгород 2007), X Международном семинаре по квантовой оптике IWQO

2007 (Самара 2007), Всероссийском семинаре памяти Ю.Н. Денисю-ка (Санкт-Петербург 2007), международной конференции «HoloExpo -2007» (Москва 2007), международной конференции «SPIE Photonics West - 2008» (Сан-Хосе, США 2008), международной конференции «Electronic Processes in Organic Materials -2008» (Львов, Украина 2008), международной конференции «Laser optics for young scientists - 2008» (Санкт-Петербург 2008), международной конференции «SPIE Europe Security and Defence - 2008» (Кардифф, Вликобритания 2008), всероссийской конференции «Фундаментальные проблемы оптики - 2008» (Санкт-Петербург 2008), научной школе МИФИ - 2009 (Москва 2009), VI-й всероссийской межвузовской конференции молодых ученых (Санкт-Петербург 2009), международной конференции «MICS - 2009» (Тру-вилль, Франция 2009), всероссийской школе «Волны - 2009» (Москва 2009), международном симпозиуме «Topical Problems of Biophotonics -2009» (Нижний Новгород 2009), VI Международной конференция молодых ученых и специалистов «Оптика - 2009» (Санкт-Петербург 2009). Доклады отмечены грамотами за лучший доклад среди молодых ученых на X Международном семинаре по квантовой оптике IWQO-2007 и на VI-й всероссийской межвузовской конференции молодых ученых.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 17 печатных работ, 7 из них - в изданиях, входящих в «Перечень .» ВАК. Список публикаций приведён в конце автореферата.

Диссертационная работа построена следующим образом:

В первой главе рассматриваются общие вопросы импульсной терагерцовой оптики. Дается теоретическое описание основных существующих методов генерации и детектирования импульсного терагерцового излучения. Проведен сравнительный анализ эффективности существующих методов съемки в ТГц диапазоне и возможности их применения. Результаты, представленные в главе, опубликованы в [15-17]

Во второй главе рассматриваются источники и приемники ТГц излучения. С учетом уже существующих результатов по генерации и детектированию ТГц излучения, экспериментально и теоретически проводится исследование различных источников и приемников. Получена генерация ТГц излучения с поверхности полупроводника, помещенного в магнитное поле, при фокусировке в воздухе первой и второй гармоники мощного излучения фемтосекундной лазерной системы, а также с использованием нелинейно-оптических кристаллов DAST. Результаты, представленные в главе, опубликованы в [17-19].

В третьей главе рассматривается метод импульсной терагерцовой голографии. Предлагается две реализации метода — безопорная схема и схема с использованием опорного источника. Приведена математическая модель и описаны численные эксперименты по получению и восстановлению изображений амплитудных и фазовых объектов с помощью методов опорной и безопорной импульсной ТГц голографии. Рассмотрено качество восстановления, размер минимального разрешающего элемента, влияние шума на восстановление. Результаты, представленные в главе, опубликованы в [20-30].

В четвёртой главе описывается разработанная экспериментальная установка для целей ТГц голографии и спектроскопии. Приведены характеристики используемых компонентов, описан принцип действия. Приведены спектры различных веществ, а также сравнение экспериментальных данных с результатами моделирования, верифицирующие истинность регистрируемых установкой данных (сравнение с литературными данными и данными из других лабораторий). Также приведено описание записи и восстановления объекта на экспериментальной установке по безопорному методу, предлагаемому в данной диссертации. Результаты, представленные в главе, опубликованы в [29,30].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации были получены следующие основные результаты.

1. Анализ методов генерации и детектирования терагерцового излучения показал, что для целей терагерцовой импульсной голографии и создания установки с использованием источника фс излучения Solar FL-1 наиболее перспективным генератором будет кристалл In As, помещенный в магнитное поле, а детектором — кристалл CdTe.

2. Разработаны безопорный и опорный методы голографии с помощью импульсного терагерцового излучения. С помощью теоретических исследований и численного моделирования показано, что метод безопорной ТГц голографии позволяет получать изображения с большим пространственным разрешением, а метод опорной ТГц голографии более устройчив к шумам.

3. В результате исследования показано, что ширина спектра детектирования приемников ТГц излучения на основе кристаллов CdTe при использовании опорного излучения с центральной длиной волны 1040нм не зависит от их толщины.

4. Разработан пакет компьютерных программ, осуществляющий моделирование процесса записи и восстановления голограмм с помощью импульсного ТГц излучения, как для схемы без опорного источника, так и с опорным источником, а также моделирование процесса дифракции излучения любого спектрального состава на плоских объектах. Пакет рассчитан на работу как на персональных компьютерах, так и на высокопроизводительных комплексах (кластерах).

5. Предложена и реализована экспериментальная установка для целей ТГц голографии и спектроскопии.

6. В рамках экспериментальной части исследования проведено восстановление бинарного объекта по методу безопорной импульсной ТГц голографии, приведено сравнение экспериментальных данных с данными моделирования, показано их соответствие друг другу.

7. Проанализированы различные описанные в литературе методы получения и восстановления изображений с помощью импульсного ТГц излучения.

4.4. Список ипользванных сокращений

1. ИК — инфракрасный

2. ТРХ —4-methylpentene-l based polyolefin

3. DAST — 4'-Dimethyamino-N-Methyl-4-Stilbazolium Tosylate

4. TDS — Time domain spectroscopy, спектроскопия с разрешением во времени.

5. TNT —тринитротолуол; DNT — динитротолуол; НМХ — High Melting eXplosive, Her Majesty's eXplosive, High-velocity Military eXplosive, or High-Molecular-weight rdX,octogen;RDX —гексоген, гексагидро-1,3,5-тринитро-1,3,5-три азин; PETN — тетранитрат пентаитрита

6. ЯМР — Ядерный магнитный резонанс

7. КАРС —когерентная антирамановская спектроскопия

8. ФЛС — фемтосекундная лазерная система

9. ФВС — фемтосекундная волоконная система

10. ЗГ —задающий генератор

11. ОАП — оптико-акустический приемник

Автор выражает глубокую признательность своему научному руководителю проф. В.Г. Беспалову за выбор темы исследования, поддержку, долготерпение и доброе отношение. Автор также благодарит

В.Н. Крылова, М.М.Назарова за интересные и полезные дискуссии, проф. С.At Козлова за ценные замечания, касающиеся содержания диссертации, С.Э. Путилина и Г.В. Лукомского за помощь в подготовке и проведении эксперимента, Е.А. Макарова, Н.В. Петрова и Е.В. Новосёлова за помощь в проведении эксперимента и обработке данных, а также В.В. Беспалова за советы, касающиеся разработки программ.

1. THz pulses from the creation of polarized electron-hole pairs in biased quantum wells / P. C. Planken, M. C. Nuss, W. H. Knox et al. // Appl. Phys. Lett. - 1992. - Vol. 61. - Pp. 2009-2011.

2. Far-infrared light generation at semiconductor surfaces and its spectroscopic applications / В. I. Greene, P. N. Saeta, R. D. Douglas, S. L. Chuang. // IEEE J. Q.E.— 1992, — Vol. 28. Pp. 2302-2312.

3. Benicewicz, P. K. Scaling of teraherz radiation from large-aperture biased photoconductors / P. K. Benicewicz, J. P. Roberts, A. J. Taylor // J. Opt. Soc. Am. B. 1994. - Vol. 12. - Pp. 2533-2546.

4. Cook, D. J. Intense terahertz pulses by four-wave rectification in air / D. J. Cook, R. M. Hochstrasser // Optics Letters. — 2000,— Vol. 25, no. 16.- Pp. 1210-1212.

5. Loffler, T. Generation of terahertz pulses by photoionization of electrically biased air / T. Loffler, F. Jacob, H. G. Roskos // Appl. Phys. Lett. 2000. - Vol. 77. - P. 453.

6. Xu, L. Terahertz beam generation by femtosecond optical pulses in electro-optic materials / L. Xu, X.-C. Zhang, D. H. Auston // Appl. Phys. Lett. 1992. - Vol. 61. - P. 1784.

7. Auston, D. H. Generation and detection of millimeter waves by picosecond photoconductivity / D. H. Auston, P. R. Smith // Appl.•Ill

8. Phys. Lett. 1983. - Vol. 43. - P. 631.

9. Wu, Q. Free-space electro-optic sampling of terahertz beams / Q. Wu, X. C. Zhang // Appl. Phys. Lett. 1995,- Vol. 67, — P. 3523.

10. Ни, В. В. Imaging with terahertz waves / В. В. Ни, M. C. Nuss // Opt. Lett. 1995.-Vol. 20, no. 16,- Pp. 1716-1718.

11. Mittleman, D. T-ray imaging / D. Mittleman, R. Jacobsen, M. C. Nuss // IEEE J. Q. Е. 1996. - Vol. 2, no. 3. - Pp. 679-692.

12. T-ray imaging and tomography / S. Wang, B. Ferguson, D. Abbott, X.-C. Zhang // Journal of Biological Physics. — 2003. — Vol. 29. — Pp. 247256.

13. T-ray tomography / D. M. Mittleman, S. Hunsche, L. Boivin, M. C. 'Nuss // Opt. Lett. 1997. - Vol. 22, no. 12,- Pp. 904-906.

14. Terahertz wideband spectroscopic imaging based on two-dimensional electro-optic sampling technique / M. Usami, M. Yamashita, K. Fukushima et al. // App. Phys. Lett. — 2005.- Vol. 86, no. 14.-P. 1109.

15. Wang, S. Pulsed terahertz tomography / S. Wang, X.-C. Zhang //J. Phys. D: Appl. Phys. 2004. - Vol. 37. - Pp. 1-36.

16. Городецкий, А. А. Получение изображений с помощью широкополосного терагерцового излучения / А. А. Городецкий, В. Г. Беспалов // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. — 2006. — Т. 34. — С. 44-48.

17. Gorodetsky, A. A. Computational thz imaging / A. A. Gorodetsky, V. G. Bespalov // Proceedings of ICO Topical Meetings on Optoinformatics/Information Photonics 2006.— St.Petersburg:2006. October. — P. 403.

18. Генерация сверхширокополосного терагерцового излучения при оптическом пробое воздуха двумя разночастотными фемтосекундны-ми импульсами / А. А. Андреев, В. Г. Беспалов, А. А. Городецкий и др. // Опт. и спектр. 2009. - Т. 107, № 4. - С. 569-576.

19. Методы генерации сверхширокоиолосных терагерцовых импульсов фемтосекундными лазерами / В. Г. Беспалов, А. А. Городецкий, И. Ю. Денисюк и др. // Опт. журн. 2008. — Т. 75, № 10. - С. 636642.

20. Городецкий, А. А. Экспериментальные результаты исследования генерации ТГц излучения с помощью кристаллов dast и лазерной искры / А. А. Городецкий // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. — 2008. Т. 49. - С. 123-132.

21. Беспалов, В. Г. Моделирование безопорной голографической записи и восстановления изображений с помощью импульсного терагерцового излучения / В. Г. Беспалов, А. А. Городецкий // Опт. журн. —2007.- Т. 74, № 11.-С. 745-749.

22. Bespalov, V. G. Thz pulse holography / V. G. Bespalov, A. A. Gorodetsky // Journal of Holography and Speckle. — 2009. — Vol. 5*- Pp. 62-66.

23. Городецкий, А. А. Дифракция широкополосного терагерцового излучения на амплитудных и фазовых экранах, восстановление изображений по полученной картине дифракции / А. А. Городецкий // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. — 2007. — Т. 37. — С. 256-262.

24. Gorodetsky, A. A. Thz computational holography process and optimization / A. A. Gorodetsky, V. G. Bespalov // SPIE Proceedings. — 2008. Vol. 6893.

25. Gorodetsky, A. A. Thz holography with reference beam / A. A. .Gorodetsky, V. G. Bespalov // SPIE Proceedings.— 2009,- Vol. 7233.

26. Городецкий, А. А. ТГц голография и интравидение / А. А. Городецкий, В. Г. Беспалов // Сборник трудов семинара «Ю.Н. Дени-сюк — основоположник отечественной голографии». — С-Петербург: 2007.-Май, С. 88-93.

27. Bespalov, V. G. Ultrabroadband thz holography without reference beam / V. G. Bespalov, A. A. Gorodetsky // Proceedings of Topical Problems of Biophotonics 2007. — Nizhny Novgorod: 2007. — July. —1. Pp. 311-313.

28. Gorodetsky, A. A. Resolution in ultrabroadband thz holography / A. A. Gorodetsky, V. G. Bespalov // Proceedings of Topical Problems of Biophotonics 2007. — Nizhny Novgorod: 2007. — July. — Pp. 307-309.

29. Gorodetsky, A. A. Thz holographic system—simulation and experimental approach / A. A. Gorodetsky, V. G. Bespalov // Proceedings of Topical Problems of Biophotonics 2009. — Nizhny Novgorod: 2009. — July. - Pp. 279-382.

30. Gorodetsky, A. A. Terahertz pulse holography / A. A. Gorodetsky, V. G. Bespalov // Proceedings of Middle Infrared Coherent Sources 2009. — Trouville: 2009. - June. - P. P07.

31. Teraherz photomixing with diode lasers in low-temperature-grown GaAs / K. A. Mcintosh, E. R. Brown, К. B. Nichols et al. // Appl. Phys. Lett. 1995. - Vol. 67. - Pp. 3844-3846.

32. High average-power THz radiation from femtosecond laser-irradiated InAs in a magnetic field and its elliptical polarization characteristics / N. Sarukura, H. Ohtake, S. Izumida, Z. Liu // J Appl. Phys. — 1998. — Vol. 84. Pp. 654-656.

33. Terahertz radiation from (111) InAs surface using 1.55 цm femtosecond laser pulses / T. Kondo, M. Sakamoto, M. Tonouchi, M. Hangyo // Jpn. J. Appl Phys.- 1999.- Vol. 38.- Pp. 1035-1037.

34. Terahertz emission from GaAs and InAs in a magnetic field /

35. J. N. Heyman, P. Neocleous, D. Hebert et al. // Phys. Rev. B. — 2001. — Vol. 64, no. 8. P. 085202.

36. Генерация излучения в дальнем ИК диапазоне спектра при фемто-секундном оптическом возбуждении полупроводника InAs в магнитном поле / В. Г. Беспалов, В. Н. Крылов, С. Э. Путилин, Д. И. Ста-селько // Опт. и спектр.— 2002, — Т. 93, № 1.— С. 158-162.

37. Terahertz radiation from InAs induced by carrier diffusion and drift / K. Liu, J. Xu, T. Yuan, X.-C. Zhang // Phys. Rev. В.- 2006.-Vol. 73. P. 155330.

38. Ferguson, B. Materials for terahertz science and technology / B. Ferguson, X.-C. Zhang // Nature Materials. — 2002. — Vol. 1.

39. Davies, A. The development of terahertz sources and their applications / A. Davies, E. Linfield, M. B. Johnston // Phys. Med. Biol. 47 36793689. 2002. - Vol. 47. - Pp. 3679-3689.

40. Migita, M. Pump-power dependence of THz radiation from InAs surfaces under magnetic fields excited by ultrashort laser pulses / M. Migita, M. Hangyo // Appl. Phys. Lett. 2001. - Vol. 79.- P. 3437.

41. Terahertz pulse generation in an organic crystal by optical rectification and resonant excitation of molecular charge transfer / J. Carey, R. Bailey, D.Pugh et al. // Appl. Phys. Lett.- 2002.- Vol. 81.— P. 4335.

42. Schneider, A. Optimized generation of thz pulses via optical rectificationin the organic salt dast / A. Schneider, I. Biaggio, P. Gunter // Optics Communications. — 2003. Vol. 224, no. 4. — Pp. 337-341.

43. Efficient terahertz generation by optical rectification at 1035 nm / M. C. Hoffmann, K.-L. Yeh, J. Hebling, K. Nelson // Optics Express.— 2007,-Vol. 15, no. 18,- Pp. 11706-11713.

44. Terahertz-pulse generation by photoionization of air with laser pulses composed of both fundamental and second-harmonic waves / M. Kress, T. Loffler, S. Eden et al. // Optics Letters. — 2004. — Vol. 29, no. 10. — Pp. 1120-1122.

45. Zhong, H. Terahertz emission profile from laser-induced air plasma / H. Zhong, N. Karpowicz, X.-C. Zhang // Appl. Phys. Lett. 2006,-Vol. 88, no. 26,-P. 1103.

46. Coherent terahertz radiation detection: Direct comparison between free-space electro-optic sampling and antenna detection / Y. Cai, I. Brener, J. Lopata et al. // Appl. Phys. Lett. — 1999, — Vol. 73. — P. 444.

47. Wu, Q, Broadband detection capability of ZnTe electro-optic fielddetectors / Q. Wu, M. Litz, X.-C. Zhang // Appl. Phys. Lett. — 1996. — Vol. 68. P. 2924.

48. Coherent detection of freely propagating terahertz radiation by electro-optic sampling / A. Nahata, D. Auston, T. F. Heinz, C. Wu // Appl. Phys. Lett. 1996. - Vol. 68. - P. 150.

49. Wu, Q. 7 terahertz broadband GaP electro-optic sensor / Q. Wu,

50. X. С. Zhang // Appl. Phys. Lett. 1997. - Vol. 70.- P. 1784.

51. Electro-optic detection of thz radiation in LiTaO%, LiNbOs and ZnTe /

52. C. Winnewisser, P. U. Jepsen, M. Schall et al. // Appl. Phys. Lett.— 1995. Vol. 70. - P. 3069.

53. Gallot, G. Electro-optic detection of terahertz radiation / G. Gallot,

54. D. Grischkowsky // JOSA В.- 1999.- Vol. 16, no. 8.- Pp. 12041212.

55. Detectors and sources for ultrabroadband electro-optic sampling: Experiment and theory / A. Leitenstorfer, S. Hunsche, J. Shah et al. // Appl. Phys. Lett. 1999. - Vol. 74. - P. 1516.

56. Free space electro-optic and magneto-optic sampling / P. Campbell, M. Li, Z. G. Lu et al. // Proc. SPIE1998,- Vol. 3269.- Pp. 114124.

57. Бонч-Бруевич, В. Л. Физика полупроводников / В. J1. Бонч-Бруевич, С. Г. Калашников.— М.: Наука, 1990.— 688 с.

58. Ландау, Л. Д. Электродинамика сплошных сред / JI. Д. Ландау,

59. E. М. Лифшиц. М.: Наука, 1992. - 662 с.

60. Dakovski, G. L. Localized terahertz generation via optical rectification in ZnTe / G. L. Dakovski, B. Kubera, J. Shan //J. Opt. Soc. Am. В.— 2005,- Vol. 22,- Pp. 1667-1670.

61. Large-area electro-optic ZnTe terahertz emitters / T. Loffler, T. Hahn, M. Thomson et al. // Optics Express. 2005. — Vol. 13. — P. 5353.

62. Generation of 1.5 fiJ single-eycle terahertz pulses by optical rectification from a large aperture ZnTe crysta / F. Blanchard, L. Razzari, H. Bandulet et al. // J. Opt. Soc. Am. B. 2005. - Vol. 22. - Pp. 16671670.

63. Difference-frequency terahertz-wave generation from 4-dimethylamino-n-methyl-4-stilbazolium-tosylate by use of an electronically tuned ti:sapphire laser / K. Kawase, M. Mizuno, S. Sohmaet al. // Opt. Lett. — 1999.-Vol. 24.-Pp. 1065-1067.

64. Use of the organic crystal DAST for terahertz beam applications / P. Y. Han, M. Tani, F. Pan,'X.-C. Zhang // Opt. Lett.- 2000.-Vol. 25. Pp. 675-677.

65. Generation of terahertz pulses through optical rectification in organic DAST crystals: theory and experiment / A. Schneider, M. Neis, M. Stillhart et al. //J. Opt. Soc. Am. B. 2006. - Vol. 23. - Pp. 18221835.

66. Борн, М. Основы оптики / М. Борн, Э. Вольф, — М.:Наука, 1973. — 720 с.

67. Козлов, С. А. Оптика фемтосекундных лазеров. / С. А. Козлов,

68. B. В. Самарцев. СПб: СПбГУ ИТМО, 2007. - 218 с.

69. Нелинейность показателя преломления лазерных твёрдотельных диэлектрических сред / А. Азаренков, Г. Альтшулер, Н. Белашен-ков, С. Козлов // Квантовая электроника. — 1993.-— Т. 20, № 8.—1. C. 733-757.

70. Штумпф, С. А. Динамика сильного поля светового импульса с малым числ'ом колебаний оптического поля в диэлектрической среде / С. А. Штумпф, А. А. Королев, С. А. Козлов // Изв. РАН. Сер. физ. 2006. - Т. 71, № 2. - С. 158-161.

71. Верлань, А. Ф. Интегральные уравнения: методы, алгоритмы, программы / А. Ф. Верлань, В. С. Сизиков.— Киев: Наукова думка, 1986. 543 с.

72. Корн, Г. Справочник по математике для научных работников и инженеров / Г. Корн, Т. Корн. М.: Наука, 1978. — 832 с.

73. Femtosecond laser induced damages and filamentary propagation in fused silica / L. Sudrie, A. Couairon, M. Franco et al. // Phys. Rev. Lett. — 2002. — Vol. 89, no. 18.- P. 186601.

74. Lee, Y.-S. Principles of Terahertz Science and Technology / Y.-S. Lee. — Springer, 2009. — 340 pp.

75. Dai, J. Detection of broadband terahertz waves with a laser-induced plasma in gases / J. Dai, X. Xie, X.-C. Zhang // Phys. Rev. Lett.— 2006. Vol. 97. - P. 103903.

76. THz imaging and sensing for security applications — explosives, weapons and drugs / J. Federici, B. Schulkin, F. Huang et al. // Semicond. Sci. Technol. 2005. - Vol. 20. - Pp. 266-280.

77. Terahertz pulse imaging in reflection geometry of human skin cancer and skin tissue / R. Woodward, B. Cole, V. Wallace et al. // Phys. Med. Biol. 2002. - Vol. 47. - Pp. 3853-3863.

78. Noninvasive mail inspection system with terahertz radiation / H. Hoshina, Y. Sasaki, A. Hayashi et al. // Appl. Speetr.— 2009.— Vol. 63, no. 1. Pp. 81-86.

79. Stoik, C. D. Nondestructive evaluation of aircraft composites using transmissive terahertz time domain spectroscopy / C. D. Stoik, M. J. Bohn, J. L. Blackshire // Opt. Expr. 2008. — Vol. 16, no. 21.— P. 17039.

80. A single-pixel terahertz imaging system based on compressed sensing / W. L. Chan, K. Charan, D. Takhar et al. // Appl. Phys. Lett. 2008. -Vol. 93. - P. 121105.

81. Reimann, K. Table-top sources of ultrashort thz pulses / K. Reimann //

82. J. Phys. D: Appl. Phys. 2004. - Vol. 37. - Pp. 1-36.

83. Панкратов, H. А. Неселективный оптико-акустический приемник с оптйческим микрофоном / Н. А. Панкратов // ОМП.— I960.— Т. 1,- С. 37-48.

84. Terahertz dark-field imaging of biomedical tissue / T. Loffler, T. Bauer, K. J. Siebert et al. // Optics Express.— 2001,— Vol. 9, no. 12.— Pp. 616-621.

85. Желтиков, A. M. Да будет белый свет: генерация суперконтинуума сверхкороткими лазерными импульсами / А. М. Желтиков // УФК- 2006.- Т. 176. С. 623-640.

86. Goodman, J. Introduction to Fourier Optics / J. Goodman. — McGraw-Hill Book Co. N.Y., 1968.- 441 pp.

87. Зельдович, Б. Я. Обращение волнового фронта / Б. Я. Зельдович, Н. Ф. Пилипецкий, В. В. Шкунов. — М.: Наука, 1985. — 248 с.

88. Schnars, U. and Jiiptner, W. Direct recording of holograms by a CCD target and numerical reconstruction / Schnars, U. and Jiiptner, W. // Appl. Opt. 1994. - Vol. 33, no. 2. - Pp. 179-181.

89. Милер, M. Голография / M. Милер.— Л.: Машиностроение, 1979.— 207 с.