Методы исследования поверхностей с помощью терагерцового излучения лазера на свободных электронах

• Автор: Герасимов, Василий Валерьевич
• Шифр специальности: 01.04.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 152 с. : ил.

Содержание
Введение

Глава 1. Методы генерации и детектирования ТГц излучения

1.1. Импульсное терагерцовое излучение

1.2. Лазер на свободных электронах

Глава 2. Детекторы терагерцового излучения

2.1. Ячейка Голея

2.2. Криогенный болометр на горячих электронах

2.3. Матричный микроболометрический приемник

2.3.1. Устройство и характеристики ММБП в ТГц диапазоне

2.3.2. Исследование чувствительности ММБП к ТГц излучению

2.3.3. Измерение абсолютной интегральной чувствительности
2.3.4. Исследование влияния многолучевой интерференции па чувствительность приемника
2.4. Результаты и выводы по главе
Глава 3. Изображающая терагерцовая спектроскопия нарушенного полного внутреннего отражения
3.1. Спектроскопия нарушенного полного внутреннего отражения
3.2. Фурье-слектроскопия НПВО
3.2.1. Спектры НПВО жидкостей и порошков
3.2.2. Определение комплексного показателя преломления с помощью преобразования Крамерса - Кронига
3.2.3. Определение комплексного показателя преломления при фиксированной длине волны
3.3. Изображающий спектрометр НПВО
3.4. Эксперименты на Новосибирском ЛСЭ
3.5. Результаты и выводы по главе

Глава 4. Исследование поверхностных плазмон-поляритонов в терагерцовом диапазоне
4.1. Поверхностные плазмон-поляритоны
4.2. Оптические характеристики металлов в ТГц диапазоне
4.2.1. О применимости модели Друде в ТГц диапазоне
4.2.2. Расчеты характеристик ППП в ТГц диапазоне на границе золото-воздух и золото-диэлектрик-воздух
4.3. Методы захвата и регистрации ППП
4.4. Методы диагностики ППП
4.5. Эксперименты на НЛСЭ и сравнение с теорией
4.5.1. Эксперименты по исследованию дифракции ППП на проводящем крае образца
4.5.2. Теория дифракции ППП на прямоугольном крае
4.5.3. Сравнение теории с экспериментом
4.5.4. Длина распространения ППП вдоль плоской границы
4.5.5. Эксперименты на цилиндрических образцах
4.5.6. Измерение радиационных потерь ППП
4.5.7. Прохождение ППП через воздушные промежутки
4.6. Результаты и выводы по главе
Заключение
Приложение
Литература

Введение
В спектре электромагнитного излучения Терагерцовое (субмиллиметро-вое) излучение находится между СВЧ и ИК-диапазонами. В оптике эту область спектра называют дальним инфракрасным диапазоном. К нему условно относят диапазон длин волн от 30 мкм до 300 мкм, или по шкале частот от 1 ТГц до 10 ТГц (30-330 см-1). Частоте 1 ТГц соответствует длина волны 300 мкм и энергия кванта 4,1 мэВ. Фотон с такой энергией не способен вызывать ионизацию атомов и молекул.
Субмиллиметровый диапазон интересен тем, что он содержит резонансные частоты колебаний как простых, так и сложных биологических молекул. Многие из них имеют индивидуальные пики поглощения, несущие информацию о структуре, конформации и динамике молекулы во внешней среде. Поэтому спектроскопия в терагерцовом диапазоне широко применяется в биологии [1], молекулярном анализе [2], медицинской диагностике [3] и в системах безопасности [4].
Терагерцовая область частот мало исследовалась в течение многих лет из-за отсутствия подходящих источников и детекторов излучения. Появление новых широкополосных источников терагерцового излучения, основанных на преобразовании фемтосекундных лазерных импульсов ближнего ИК-диапазона в импульс широкополосного терагерцового излучения, резко активизировало исследования этой спектральной области [5]. Развитию исследований способствовало и то обстоятельство, что фотопроводящие антенны [6] и электрооптические кристаллы [7], с помощью которых создавалось терагерцовое излучение, могут служить также детекторами этого излучения. На основе данных источников был разработан метод терагерцовой импульсной спектроскопии или Terahertz Time-Domain Spectroscopy (THz TDS) [8-9], позволяющий проводить спектроскопические измерения с разрешением по времени. Новые возможности для терагерцовой спектроскопии открылись с созданием лазеров

входном окне матричного микроболометрического приемника. Цифрами указаны: 1 - входное кремниевое окно с плоскопараллельными гранями;
2 - вакуумный зазор между окном и чувствительным слоем приемника; 3 - чувствительный слой из микроболометров, внешняя поверхность которых покрыта нитридом кремния (81К); в - угол падения излучения на входное окно приемника.
окном и чувствительным слоем матрицы (см. Рис. 14). Ниже представлен теоретический расчет чувствительности ММБП с учетом многолучевой интерференции.
Теоретический расчет
Излучение ЛСЭ представляет собой непрерывную последо вательность импульсов длительностью гимп=100пс, следующих с интервалом 180 нс (соответствует частоте повторения 5.6 МГц). Длина когерентности соответствует длительности импульса и равна /ког = с ■ гимп = 30 мм. Зададим форму импульса вдоль следования пучка функцией Гаусса