Сапфировая ячейка для внутриволноводной терагерцовой спектроскопии

Предлагаемая полезная модель относится к области измерений физических свойств веществ, а именно терагерцовой (ТГц) спектроскопии, и может быть применена для характеризации веществ в биомедицине, науке о материалах и т.д.
Для импульсной ТГц спектроскопии может быть использован фотонно-кристаллический (ФК) ТГц волновод, представляющий собой сапфировый стержень с системой протяженных каналов, образующих фотонный кристалл для данного типа электромагнитного излучения, волновод имеет входной и выходной торцы. [Патент РФ №2601770 «Сапфировый терагерцовый фотонно-кристаллический волновод» Авторы: Курлов В.Н., Шикунова И.А., Зайцев К.И., Юрченко C.O., Карасик В.Е., Опубликован: 14.10.16, бюлл. №31]. Для передачи ТГц излучения через данный волновод, широкополосное импульсное ТГц излучение фокусируется оптической системой на центр его входного торца, после чего, в волноводе формируются устойчивые моды ТГц излучения, локализованные в центральном волноводном канале устройства. Данный волновод предназначен для передачи широкополосного ТГц излучения с входного торца на выходной торец с низкими потерями и околонулевой дисперсией.
Известна ячейка для внутриволноводного детектирования с использованием терагерцового излучения. Ячейка представляет собой ТГц волновод в виде полиэтиленового стержня, с центральной волноводной частью, окруженной каналами, так что тонкие перегородки между каналами поддерживают центральную волноводную часть. Волновод имеет входной и выходной торцы ["Label-free bacteria detection using evanescent mode of a suspended core terahertz fiber" A. Mazhorova, A. Markov, A. Ng, R. Chinnappan, O. Skorobogata, M. Zourob, and M. Skorobogatiy Optics Express 2012, Vol. 20, Iss. 5, pp. 5344-5355]. ТГц излучение распространяется преимущественно в пределах центральной волноводной части, при этом малая часть излучения распространяется в воздушной оболочке в каналах в виде затухающих мод. При размещении анализируемого вещества в каналах данного волновода происходит увеличение общих потерь волновода за счет увеличения энергии затухающих оболочечных мод. Использование данной ячейки позволяет увеличить протяженность зоны взаимодействия ТГц излучения с анализируемым веществом, что приводит к повышению чувствительности ТГц детектирования. Недостатком данной ячейки является невозможность спектральных измерений, что обусловлено высокой дисперсией используемого ТГц волновода, зависимостью его характеристик от изменения температуры, деформаций и других внешних условий измерений.
Техническим результатом полезной модели является возможность спектральных измерений при внутриволноводном детектировании с использованием терагерцового излучения, расширение диапазона условий измерений, включая измерения при температурах вплоть до 2000°С, в большом диапазоне давления, в химически агрессивных средах и др.
Технический результат достигается за счет того, что сапфировая ячейка для внутриволноводной терагерцовой спектроскопии, представляет собой терагерцовый волновод в виде стержня с каналами, с входным и выходным торцами, в котором в качестве терагерцового волновода используется сапфировый терагерцовый фотонно-кристаллический волновод с центральным волноводным каналом, в центральном волноводном канале расположено анализируемое вещество.
При использовании данной ячейки, с анализируемым веществом взаимодействует существенная доля распространяющегося по волноводу ТГц излучения в виде его основной и высших мод, что приводит к повышению чувствительности ТГц детектирования.
Благодаря малому поглощению сапфира в ТГц диапазоне и работе фотонно-кристаллической структуры, волновод обладает собственными низкими потерями и дисперсией ТГц излучения, что позволяет не только отслеживать изменение интегральных потерь волновода, но и регистрировать изменение спектральных характеристик при введении анализируемого вещества в каналы ячейки.
Так как в ячейке используется волновод, изготовленный из сапфира, то внутриволноводную ТГц спектроскопию с данной ячейкой можно проводить в широком диапазоне температуры и давления, при контакте с агрессивными средами. Ячейка может быть подвержена любому типу очистки и стерилизации без изменения ее рабочих характеристик.
Полезная модель иллюстрируется рисунками и примером реализации.
Фиг. 1 Схема сапфировой ячейки для внутриволноводной терагерцовой спектроскопии
Фиг. 2 Схема внутриволноводной ТГц спектроскопии в частном случае полезной модели
2
Фиг. 3 Изменение спектров пропускания сапфирового волновода с нитритом натрия (NaNO), взятого в различном количестве, при повышении температуры.
2
Фиг. 4 Температурные зависимости интегрального пропускания сапфирового волновода с нитритом натрия (NaNO), взятого в различном количестве.
Сапфировая ячейка для внутриволноводной ТГц спектроскопии 1 представляет собой терагерцовый волновод с входным торцом 2 и выходным торцом 3, центральным каналом для размещения анализируемого вещества 4 и системой каналов 5, образующих фотонно-кристаллическую структуру.
Работа устройства иллюстрируется примером. Ячейку применяли для детектирования фазового перехода первого рода (плавления) нитрита натрия.
Для проведения внутриволноводной ТГц спектроскопии в качестве ячейки использовали сапфировый ТГцволновод с 30 продольными каналами диаметром 1,6 мм, каждый из которых расположен в узле гексагональной решетки с периодом 2,8 мм, образуя ФК структуру вокруг центрального канала диаметром 7,2 мм. Данный волновод характеризуется низкими потерями и дисперсией ТГц излучения в спектральном диапазоне от 0.2 до 1.2 ТГц. Дисперсия в диапазоне 0.65-1.2 ТГц мала и изменяется в пределах 0.061-1⋅ps/(THz⋅cm). Излучение распространяется по волноводу преимущественно в виде двух низших мод НЕ11 и НЕ21, где НЕ11 локализована в приосевой области центрального канала, а НЕ21 занимает остальной объем центрального канала волновода.
На входной торец 2 данной ячейки 1 фокусировали широкополосное ТГц излучение от источника ТГц излучения 6, с помощью фокусирующих линз 7. На выходе с помощью приемника ТГц излучения 8 регистрировали спектр прошедшего ячейку излучения, собранного фокусирующими линзами 9. Далее волновод нагревали на определенную температуру с помощью нагревателя 10 и повторяли измерения.
2
2
После того, как измерения с ячейкой без вещества проводили во всем требуемом диапазоне температур, на стенках волновода высаживали NaNO 11, и повторяли измерения при разных температурах, как описано ранее. Циклы измерений проводили для NaNO, взятого в количестве 10, 20 и 30 мг. Спектры прошедшего волновод излучения при повышении температуры демонстрировали заметные изменения в области температуры плавления нитрита натрия, которая составляет 271°С (Фиг. 3). Полученные зависимости изменения интегрального пропускания волновода при повышении температуры существенно отличались для вещества, взятого в различном количестве, в том числе обнаруживая плавление нитрита натрия при достаточно малом количестве исходного вещества (10 мг).
Ячейка на основе сапфирового ТГц волновода для внутриволноводной спектроскопии позволяет проводить высокочувствительные спектрально-разрешенные измерения в большом диапазоне температур и давления, допускает работу в контакте с агрессивными средами и любые типы очистки и стерилизации ТГц волновода без ухудшения его рабочих характеристик.