![]() |
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИПМех РАН |
||
Проект посвящен исследованию новых схем и расширению актуальных областей применения спектроскопии излучения терагерцового диапазона частот. Будут развиты подходы к решению задач идентификации веществ, приготовленных в произвольной форме поликристаллических порошков, исследованы и конкретизированы условия, при которых возможно распознавание состава смесей по данным спектроскопии терагерцового диапазона частот. Будет проведен анализ влияния эффектов рассеяния на пространственных неоднородностях объекта и разработана процедура определения собственных резонансных линий поглощения по результатам измерения в схеме импульсной терагерцовой спектроскопии смесей гранул искомого вещества и посторонних наполнителей. В ходе выполнения проекта будет разработана компактная схема импульсной терагерцовой спектроскопии нового типа, функционирующая на основе накачки от малогабаритного фемтосекундного волоконного лазера с длиной волны генерации 1.56 мкм, попадающей в первый телекоммуникационный диапазон. Смена типа лазерной накачки (по сравнению с традиционно используемыми мощными лазерными системами с длиной волны генерации в области 800 нм) позволит существенно снизить размеры терагерцового спектрометра и обеспечить в дальнейшем возможность проведения исследований во внелабораторных устройствах. Будет проведено исследование схем генерации и детектирования терагерцового излучения, направленное на расширение спектра и увеличение динамического диапазона спектрометра данного типа. Будут развиты новые подходы к электро-оптическому детектированию терагерцовых импульсов, основанные на использовании неколлинеарных нелинейно-оптических взаимодействий. Будут также разработаны методики и измерены дисперсионные характеристики актуальных нелинейно-оптических кристаллов, перспективных для генерации и детектирования волн в терагерцовом диапазоне частот. В частности, будут определены спектральные зависимости действительной и мнимой частей диэлектрической проницаемости, показателей преломления и коэффициентов поглощения для волн различных поляризаций в кристаллах ниобата лития с различной концентрацией примеси магния. Будет исследовано влияние примеси магния, а также наличия поляронных образований на дисперсионные параметры конгруэнтных кристаллов ниобата лития в терагерцовом диапазоне нижней поляритонной ветви. Будет проведено прямое сравнение дисперсионных зависимостей, полученных на основании обработки временных спектров пропускания в установке по когерентной импульсной спектроскопии, и определенных по частотно-угловым спектрам параметрического рассеяния света.
1. Будет разработана компактная схема импульсной терагерцовой спектроскопии нового типа. В отличие от наиболее известных схем, базирующихся на мощных титан-сапфировых лазерных системах с длиной волны в районе 800 мкм, данная схема будет функционировать на основе накачки от малогабаритного фемтосекундного волоконного лазера с длиной волны генерации 1.56 мкм, попадающей в первый телекоммуникационный диапазон. Смена типа лазерной накачки позволит существенно снизить размеры терагерцового спектрометра, а также проводить в дальнейшем исследования спектров во внелабораторных устройствах. В отличие от других ранее предложенных схем на основе накачки 1.56 мкм и фотопроводящих антенн, разрабатываемый в проекте спектрометр будет иметь более широкий спектральный диапазон благодаря применению новых оригинальных систем генерации и детектирования терагерцового излучения в нелинейно-оптических кристаллах. 2. Будет развита методика и измерены дисперсионные характеристики нелинейно-оптических кристаллов, применяемых для генерации и детектирования волн в терагерцовом диапазоне частот. В частности, будут определены спектральные зависимости действительной и мнимой частей диэлектрической проницаемости, показателей преломления и коэффициентов поглощения для волн различных поляризаций в кристаллах ниобата лития с различной концентрацией примеси магния. Будет исследовано влияние примеси магния, а также наличия поляронных образований на дисперсионные параметры конгруэнтных кристаллов ниобата лития в терагерцовом диапазоне нижней поляритонной ветви. Впервые будет проведено прямое сравнение дисперсионных зависимостей, полученных на основании обработки временных спектров пропускания в установке по когерентной импульсной TDS спектроскопии, и в установке по измерению частотно-угловых спектров спонтанного параметрического рассеяния света. 3. Будет разработана процедура определения собственных резонансных линий поглощения по результатам измерения в схеме импульсной терагерцовой спектроскопии пропускания гранулированных веществ, в составе смесей гранул искомого вещества и посторонних наполнителей. Этот результат должен стать новым шагом на пути решения задач диагностики и идентификации веществ, приготовленных не только в простейшем виде специально спрессованных таблеток с полиэтиленовым наполнителем, как это делается в настоящее время в стандартных приложениях TDS установок, а и в более частых на практике формах - в частности, в виде порошков с произвольным посторонним наполнителем.
Исследования в области генерации, детектирования и спектроскопии терагерцовых волн ведутся в коллективе сотрудников МГУ с 2004 года, начиная с 2009 года - в содружестве с участниками проекта из МГТУ МИРЭА. Опубликованы результаты диагностики терагерцового отклика кристаллов с периодически поляризованной структурой, наведенной как непосредственно в процессе роста, так и методикой послеростовой переполяризации кристалла в электрическом поле. При этом был развит метод фемтосекундной накачки – зондирования, применявшийся для характеризации спектров терагерцового отклика кристаллов в прямом и встречном направлениях. Развита теория нелинейно-оптических процессов преобразования частоты в периодически и апериодически поляризованных кристаллах, приводящих к генерации и детектированию терагерцовых волн под действием импульсной и непрерывной накачки, рассмотрены перспективы использования апериодически поляризованных сред. Предложены и впервые экспериментально реализованы оптические схемы генерации терагерцового излучения методом оптического выпрямления широкополосных лазерных импульсов наносекундной длительности и нелинейно-оптического детектирования. Разработана новая схема электрооптического сканирования импульсного терагерцового излучения и впервые в мире осуществлено квазисинхронное детектирование терагерцовых волн. Сформулирована идея и начаты исследования нового метода измерения спектральной яркости терагерцового излучения, основанного на использовании тепловых и квантовых флуктуаций поля в качестве репера при параметрическом преобразовании частоты. Методы широкополосной терагерцовой спектроскопии TDS исследовались применительно к решению задач обнаружения опасных и взрывчатых веществ, был предложен новый подход, основанный на узкополосной TDS спектроскопии.
грант РФФИ |
# | Сроки | Название |
1 | 1 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. | Развитие методов терагерцовой спектроскопии для определения дисперсионных параметров и идентификации веществ |
Результаты этапа: 1) Показано, что оптимальной схемой генерации терагерцовых волн методом оптического выпрямления фемтосекундных импульсов накачки на длине волны 1.56 мкм является черенковская схема на основе кристаллов LiNbO3:Mg с боковым призменным выведением терагерцового излучения. Спектр излучения при маломощной накачке от фемтосекундного волоконного Er3+-лазера с энергией в импульсе порядка 3 нВт занимает диапазон 0.1- 1ТГц. Исследования возможных вариантов детектирования этого излучения показали, что электро-оптические методы стробирования, включая стробирование в неколлинеарной геометрии нелинейно-оптического взаимодействия, неэффективны. Оптимальным выбором детектора в схемах терагерцовой спектроскопии временного разрешения с накачкой от маломощного волоконного лазера на длине волны 1.56 мкм остается фотопроводящая антенна. 2) Исследованы спектры терагерцового излучения, генерируемого эпитаксиальными плёнками LT-InGaAs при накачке фемтосекундным волоконным Er3+-лазером на длине волны 1.56 мкм. Обнаружено, что генерация терагерцового излучения слоями LT-InGaAs на подложках InP (411)A в 3–5 раз эффективнее, чем такими же слоями на подложках InP (100). Это свидетельствует о том, что для устройств-источников излучения в терагерцовом и гигагерцовом диапазонах частот использование подложек InP с ориентацией (n11)A при выращивании LT-InGaAs может оказаться существенно более предпочтительным. 3) Неколлинеарная нелинейно-оптическая схема детектирования на основе кристалла LiNbO3:Mg с боковым призменным вводом терагерцового излучения была протестирована в условиях непрерывной накачки от аргонового лазера на длине волны 514.5 нм. На примере детектирования излучения от лавинно-пролетного диода впервые была экспериментально продемонстрирована возможность нелинейно-оптического детектирования терагерцового излучения в отсутствие какого-либо согласования фаз излучения источника и оптической накачки детектора. Анализ спектров спонтанного параметрического рассеяния накачки показал принципиальную возможность частотно-селективного детектирования излучения в диапазоне до 2 ТГц и выше путем измерения оптических сигналов на разностных (стоксовых) и суммарных (анти-стоксовых) частотах. При этом важным преимуществом использования призменного блока в схеме неколлинеарного детектирования является то, в процессе сканирования частоты не требуется переориентация источника относительно кристалла-детектора. 4) Разработана методика измерения дисперсионных параметров нелинейно-оптических кристаллов в терагерцовом диапазоне на основе данных импульсной терагерцовой спектроскопии. Сочетая подходы, основанные на терагерцовой спектроскопии временного разрешения и спектроскопии параметрического рассеяния света на поляритонах, были измерены дисперсии мнимой и действительной частей диэлектрической проницаемости, показателя преломления и коэффициента поглощения кристаллов ниобата лития с различным содержанием легирующей примеси Mg в области частот нижней поляритонной ветви. 5). Предложена процедура идентификации гранулированных материалов по спектрам пропускания однослойных образцов, полученных на установке импульсной терагерцовой спектроскопии. Экспериментально продемонстрирована возможность регистрации собственных резонансных частот молекул 2.4-DNT и альфа-лактозы в диапазоне частот до 3 ТГц для однослойных образцов с размерами гранул до 500 мкм. | ||
2 | 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. | Развитие методов терагерцовой спектроскопии для определения дисперсионных параметров и идентификации веществ |
Результаты этапа: 1. Разработаны новые типы фотопроводящих антенн для генерации терагерцового излучения в условиях импульсной лазерной накачки на длине волны 1.56 мкм. 2. Определены условия оптимального согласования пространственных мод сигнального и холостого излучения при нелинейно-оптическом детектировании терагерцовых волн в условиях монохроматической лазерной накачки. 3. Измерены дисперсионные зависимости для мнимой и действительной частей диэлектрической проницаемости, показателя преломления и коэффициента поглощения кристалла SPS в терагерцовом диапазоне частот. Обнаружено проявление фононных резонансов на комбинационных частотах. Показано, что при изменении температуры кристалла силы осцилляторов ряда резонансов с поляризацией, ортогональной колебаниям мягкой моды, испытывают особенности в области температуры фазового перехода. 4. Исследованы процессы и построена теоретическая модель образования конических неустойчивостей при формировании фотоиндуцированных решеток в кристалле SPS. 5. Разработана методика определения размеров гранул при диагностике гранулированных материалов методом импульсной терагерцовой спектроскопии. | ||
3 | 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. | Развитие методов терагерцовой спектроскопии для определения дисперсионных параметров и идентификации веществ |
Результаты этапа: 1. Получена и исследована генерация ТГц излучения от антенн на основе наногетероструктур InGaAs/InAlAs, выращенных на подложках фосфида индия с различной кристаллографической ориентацией. Установлены оптимальные условия роста, соответствующие наиболее эффективной генерации. Методом накачка-зондирование (pump-probe) измерены времена релаксации носителей в эпитаксиальных пленках InGaAs и InGaAs/InAlAs. Рассчитана временная динамика генерации терагерцового излучения в полупроводниковых фотопроводящих антеннах. 2. Проведен анализ методов подавления эффектов рассеяния и определения наличия целевого вещества в схемах импульсной терагерцовой спектроскопии при традиционном Фурье-анализе временных форм, полученных методом терагерцовой спектроскопии временного разрешения, и при вейвлет-анализе временных форм. 3. В схемах импульсной терагерцовой спектроскопии в геометриях «на пропускание» и «на отражение» экспериментально исследовано влияние размера гранул исследуемой среды на комплексный коэффициент пропускания или отражения. 4. Установлена связь дисперсионных параметров терагерцового диапазона с процессами, происходящими при сегнетоэлектрическом фазовом переходе в кристалле сегнетоэлектрика-полупроводника гипотиодифосфата олова Sn2P2S6. Определена оптимальная геометрия и методика импульсной терагерцовой спектроскопии для исследования сегнетоэлектрических фазовых переходов, сопровождающихся колебаниями мягкой моды. |
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".