ТерРаЛаб НТС
Общество с ограниченной ответственностью
Контакты

Терагерцовый спектрометр

Терагерцовым излучением принято называть электромагнитное излучение с частотами 1011-1012 Гц. Спектроскопия в терагерцовом диапазоне интересна тем, что в нем лежат линии поглощения как простых, так и сложных молекул, соответствующие вращательным колебаниям молекулы, межмолекулярному взаимодействию и колебаниям молекулярных комплексов, образующихся в результате межмолекулярного взаимодействия за счет ван-дер-ваальсовых и водородных связей. Спектры сложных биологических молекул в этом диапазоне содержат линии, соответствующие вращательным, так называемым торсионным колебаниям, дальнодействующим взаимодействиям (без связей) между функциональными группами молекулы, а также взаимодействиям между атомными группами, связанными через слабые водородную и ван-дер-ваальсову связи. При этом положение и форма линий, их интенсивность сильно зависят от конформации молекулы, от внешней среды, в которой она находится.

Для спектроскопии в терагерцовом диапазоне в настоящее время широко применяются следующие методы:

В фурье-спектроскопии для работы в дальнем ИК в качестве источника излучения используется ртутная лампа. После прохождения излучения через интерферометр Майкельсона, на выходе прибора формируется интерференционная картина. При этом, каждой длине волны соответствует определенная интерференционная кривая, получаемая в интерферометре при перемещении подвижного зеркала. Фурье-анализ позволяет преобразовать интерферограмму в спектр, то есть представить сигнал как функцию частоты. Рабочий диапазон - от 40 см-1 до тысяч обратных сантиметров.

Спектроскопия комбинационного рассеяния осуществляется в очень широком спектральном диапазоне. КР спектроскопия на частотах ниже ста обратных сантиметров имеет ряд особенностей, которые ограничивают спектральный диапазон в низкочастотной области. В терагерцовом диапазоне спектры КР имеют сильный фон, на котором видны относительно слабые линии. Фон представляет собой крыло линии Релея, который тем больше и шире, чем больше и тяжелее молекулы исследуемого вещества. Фон обусловлен свойствами вещества и может меняться для одного и того же вещества, в связи с этим спектры КР не обладают абсолютной повторяемостью.

В лампе обратной волны (ЛОВ) или, как её еще называют, лампе обратного хода (ЛОХ), генерация непрерывного излучения происходит при длительном взаимодействии пучка электронов с электромагнитной волной. Электромагнитная волна, распространяющаяся навстречу пучку, модулирует и группирует электроны. Образующиеся сгустки электронов при своём движении наводят электромагнитное поле в замедляющей системе и отдают ему свою энергию. В качестве детекторов применяют оптико-акустические преобразователи, действие которых основано на воздействии на мембрану переменного давления газа при поглощении им модулированного излучения, полупроводниковыми фоторезисторами, либо полупроводниковыми или сверхпроводящими болометрами. С помощью ЛОВ получают непрерывное излучение в диапазоне примерно от 2 см-1 до 50 см-1, при этом для перекрытия всего этого диапазона требуется порядка 10 ламп, каждая из которых работает в своём относительно узком спектральном диапазоне с разрешением порядка 10-8 см-1.

Сравнительно недавно появился совершенно новый метод исследования спетров в дальнем ИК диапазоне - метод импульсной терагерцовой спектроскопии. В импульсной терагерцовой спектроскопии в основном для генерации терагерцового излучения используются дипольные антенны и нелинейные кристаллы на эффекте оптического выпрямления, которые обеспечивают когерентное широкополосное излучение в диапазоне от 3 см-1 до 100 см-1. Для когерентного детектирования чаще всего используют дипольные антенны и нелинейные кристаллы на электрооптическом эффекте. Особенностью терагерцовой спектроскопии по сравнению другими методами спектроскопии в дальнем ИК диапазоне является то, что при измерениях непосредственно прописывается зависимость поля Е от времени, что позволяет осуществлять время-разрешенную спектроскопию.

Идея разработки

В основе созданного терагерцового спектрометра лежит принцип когерентного детектирования импульсов терагерцового излучения. Для генерации и детектирования терагерцовых импульсов используется импульсное лазерное излучение с длительностью импульса порядка 100 фс. Обычно используется лазер на кристалле титаната сапфира, генерирующего излучение в диапазоне 750-850 нм. Для генерации терагерцового излучения используются полупроводниковые кристаллы GaAs, InP и другие, а также нелинейные кристаллы ZnTe, LiNbO3 и др. Детектирование терагерцового излучения происходит в нелинейном кристалле. В основе принципа детектирования терагерцового излучения лежит линейный электрооптический эффект, или эффект Поккельса.

В последнее время все более популярными становятся фемтосекундные волоконные лазеры, работающие на длине волны 1,55 и 1,06 мкм. Эти лазеры имеют существенно меньшие размеры по сравнению с лазерной системой на базе титаната сапфира, при этом эти лазеры не уступают по мощности и по качеству спектра генерируемого лазерного излучения. Для этого диапазона длян волн были разработаны генераторы терагерцового излучения на базе полупроводника InGaAs. При этом детектирование терагерцового излучения осуществляется в нелинейном кристалле GaP.

Нами было разработано и создано два терагерцовых спектрометра. Первый спектрометр был создан на базе фемтосекундного лазера на титанате сапфира (длина волны 0,7-0,85 мкм), второй - на базе фемтосекундного иттербиевого волоконного лазера (длина волны 1,064 мкм). Первый спектрометр имеет возможность изменения геометрии эксперимента: имеется возможность измерения как спектров пропускания, так и спектров отражения образцов. Второй спектрометр имеет существенно меньшие геометрические размеры чем первый и является мобильным спектрометром.


Контакты