УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВАРИАТИВНОЙ ОДНОЦВЕТНОЙ СПЕКТРОСКОПИИ "НАКАЧКА-ЗОНДИРОВАНИЕ" В ТЕРАГЕРЦОВОМ ДИАПАЗОНЕ
DEVICE FOR VARIABLE SINGLE-COLOR "PUMP-PROBE" SPECTROSCOPY IN THE TERAHERZT RANGE

Изобретение относится к оптической динамической спектроскопии, а именно - к терагерцовой (ТГц) спектроскопии с использованием для накачки и зондирования излучения одной и той же длины волны, эффективно применяемой для исследования различных процессов релаксации молекул, динамики носителей заряда в полупроводниках, и может найти применение, например, в ТГц спектроскопии релаксационных и ротационных мод молекул органических веществ.
В этом методе импульсное излучение монохроматического источника разделяется светоделителем на два пучка: пучок накачки и зондирующий пучок. Последний из них пропускают через регулируемую линию задержки, чтобы воздействовать на образец с некоторым запаздыванием относительно пучка накачки. Это запаздывание должно быть меньше времени релаксации частиц образца, возбужденных пучком накачки. Регистрируя изменение характеристик зондирующего пучка, взаимодействующего с образцом в различные моменты времени после воздействия на него пучка накачки, получают информацию о релаксационных процессах в веществе образца. Причем объем этой информации можно увеличить, варьируя параметры пучка накачки путем изменения частоты излучения, его интенсивности, поляризации и длительности импульса.
11
12
2
Применение методики «накачка-зондирование» особенно эффективно при изучении динамики населенностей энергетических уровней. Интенсивность излучения, необходимая в экспериментах, в зависимости от задачи может изменяться от малых мощностей, исключающих нагрев образца, до очень больших при изучении насыщения переходов. Например, для изучения методом спектроскопии «накачка-зондирование» колебательных и вращательных мод, относящихся к терагерцовому диапазону, интенсивность должна достигать значений порядка 10÷10 Вт/см. Из известных монохроматических источников ТГц диапазона излучение такой интенсивности способны генерировать только лазеры на свободных электронах [1].
Из уровня техники известно устройство для интегральной абсорбционной спектроскопии «накачка-зондирование» в терагерцовом диапазоне, содержащее импульсный источник излучения ближнего инфракрасного диапазона длин волн, оптически связанный с первым светоделителем, который далее оптически параллельно связан с оптической линией задержки светового пучка и вторым светоделителем. Второй светоделитель оптически параллельно связан с оптической линией задержки светового пучка и дифракционной решеткой. Дифракционная решетка оптически последовательно связана с фазовращающей пластинкой, линзой, нелинейным кристаллом, первым и вторым параболическими зеркалами, исследуемым образцом, третьим и четвертым параболическим зеркалами, и детектором излучения. В свою очередь первая оптическая линия задержки светового пучка оптически связана с плоским зеркалом и детектором излучения [2].
Основным недостатком такого устройства является большая продолжительность измерений методом спектроскопии «накачка-зондирование», так как необходимо производить перенастройку (повторную юстировку) элементов устройства. Данный недостаток вызван следующими факторами: а) небольшое соотношение сигнал/шум, что обусловлено низкой интенсивностью пучка накачки (до 3 мкДж); б) интегральный характер измерений, вследствие немонохроматичности излучения как в пучке накачки, так и в зондирующем пучке; в) изменение соотношения интенсивностей пучков при изменении поляризации излучения, что объясняется зависимостью коэффициента отражения светоделителя от типа поляризации и длины волны.
Также известно устройство для одноцветной спектроскопии «накачка-зондирование», содержащее перестраиваемый по частоте источник монохроматического излучения, оптически связанный со светоделителем, который в свою очередь оптически параллельно связан с оптической линией задержки светового пучка и прерывателем светового потока. Оптическая линия задержки светового пучка оптически последовательно связана с плоским зеркалом, фокусирующим объективом, исследуемым образцом и детектором излучения. Прерыватель светового потока оптически последовательно связан с фокусирующим объективом и исследуемым образцом [3].
Основным недостатком такого устройства является большая продолжительность измерений при смене поляризации и/или длины волны излучения, так как необходимо осуществлять перенастройку (повторную юстировку) элементов оптической системы. Данный недостаток обусловлен изменением соотношения интенсивностей пучков при изменении поляризации или длины волны излучения, что объясняется зависимостью коэффициента отражения светоделителя от типа поляризации.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство для вариативной одноцветной спектроскопии «накачка-зондирование» в терагерцовом диапазоне, содержащее перестраиваемый по частоте источник монохроматического излучения, который оптически связан со светоделителем, расщепляющим световой поток на две части и выполненным в виде тонкой пленки, изготовленной из прозрачного в данном диапазоне материала. Светоделитель оптически параллельно связан с плоским зеркалом и оптической линией задержки светового пучка. Плоское зеркало оптически последовательно связано с прерывателем светового потока, системой из двух зеркал, которая направляет световой поток на фокусирующий объектив, фокусирующим объективом, исследуемым образцом и закрытой частью апертуры. Оптическая линия задержки светового пучка оптически последовательно связана с системой из двух зеркал, фокусирующим объективом, исследуемым образцом, открытой частью апертуры и детектором излучения [4].
Основным недостатком указанного устройства является большая продолжительность измерений методом спектроскопии «накачка-зондирование», так как необходимо производить перенастройку (повторную юстировку) элементов устройства. Данный недостаток обусловлен различным изменением интенсивностей пучков при изменении поляризации и длины волны излучения, что объясняется зависимостью коэффициента отражения светоделителей, используемых в терагерцовом диапазоне, от названных характеристик излучения. Данное устройство позволяет анализировать только изотропные вещества, при этом исключен анализ анизотропных веществ.
Задача, на решение которой направлено предложенное изобретение, заключается в создании такой конструкции устройства для вариативной одноцветной спектроскопии «накачка-зондирование» в терагерцовом диапазоне, которая исключала бы указанные выше недостатки.
Техническая проблема, решаемая созданием заявленного изобретения, состоит в создании устройства для вариативной одноцветной спектроскопии «накачка-зондирование» в терагерцовом диапазоне, позволяющей сократить продолжительность измерений и расширить функциональные возможности устройства.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявленное изобретение, является сокращение продолжительности измерений за счет исключения необходимости перенастройки (повторной юстировки) элементов устройства. Указанный технический результат обусловлен тем, что при изменении поляризации и/или длины волны излучения перестраиваемого по частоте источника монохроматического излучения относительная интенсивность излучения в каналах накачки и зондирования не изменяется. Также достигается расширение функциональных возможностей заявленного устройства, так как расширяется класс исследуемых веществ за счет включения в него не только изотропных, но и анизотропных веществ.
Технический результат достигается в устройстве для вариативной одноцветной спектроскопии «накачка-зондирование» в терагерцовом диапазоне, содержащем перестраиваемый по частоте источник монохроматического излучения, который оптически последовательно связан с первой пропускающей дифракционной решеткой и второй пропускающей дифракционной решеткой. Вторая пропускающая дифракционная решетка оптически параллельно связана с прерывателем светового потока и первым плоским зеркалом. Первое плоское зеркало оптически последовательно связано с оптической линией задержки светового пучка, вторым плоским зеркалом, фокусирующим объективом, исследуемым образцом, открытой частью апертуры и детектором излучения. Прерыватель светового потока оптически последовательно связан с третьим и четвертым плоскими зеркалами, фокусирующим объективом, исследуемым образцом и закрытой частью апертуры.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на Фиг. 1 изображена функциональная схема заявленного устройства; на Фиг. 2 изображена схема расщепления пучка двумя идентичными пропускающими дифракционными решетками.
Принятые обозначения:
1 - перестраиваемый по частоте источник монохроматического излучения;
2 - первая пропускающая дифракционная решетка;
3 - вторая пропускающая дифракционная решетка;
4 - прерыватель светового потока;
5 - первое плоское зеркало;
6 - оптическая линия задержки светового пучка;
7 - второе плоское зеркало;
8 - фокусирующий объектив;
9 - исследуемый образец;
10 - апертура;
11 - детектор излучения;
12 - третье плоское зеркало;
13 - четвертое плоское зеркало.
На фиг. 1 изображены два вида стрелок: стрелки, выполненные сплошными линиями, и стрелки, выполненные пунктирными линиями. Данные стрелки схематично обозначают пучки излучения с двумя различными длинами волн, принадлежащими диапазону, в котором работают первая 2 и вторая 3 пропускающие дифракционные решетки. В соответствии с принципами работы таких оптических элементов, при падении пучка излучения, синус угла отклонения пучка ненулевого порядка в направлении поперек штрихов, нанесенных на пропускающую дифракционную решетку, пропорционален длине волны излучения, то есть, увеличение длины волны приводит к увеличению угла отклонения, расщепление пучка происходит на разные дифракционные порядки, имеющие свои углы отклонения, и конкретная величина угла зависит, кроме того, от периода пропускающей дифракционной решетки в соответствии с формулой [5]:
здесь k - порядок максимума (порядок пучка), d=1/N - период пропускающей дифракционной решетки, N - количество штрихов на миллиметр, λ - длина волны излучения, θ - угол падения пучка излучения, α - угол отклонения пучка излучения.
На фиг. 2 схематично изображены две идентичные, первая и вторая, пропускающие дифракционные решетки, падающий пучок излучения, а также пучки нулевого и±1 дифракционного порядка после прохождения первой и второй пропускающих дифракционных решеток. Пучки второго и более высоких порядков обладают значительно меньшей интенсивностью и не указаны на фиг. 2. Исходя из формулы (1) после прохождения второй пропускающей дифракционной решетки один из пучков +1 дифракционного порядка и один из пучков -1 дифракционного порядка оказываются параллельны изначально падающему пучку. Эти пучки излучения используются в качестве пучка накачки и пучка зондирования. На фиг. 2 жирными стрелками указаны первичный падающий пучок, пучки ±1-го дифракционного порядка после первой пропускающей дифракционной решетки и те пучки после второй пропускающей дифракционной решетки, которые параллельны первичному пучку. Остальные пучки, то есть не принимающие участие в измерительном процессе, указаны тонкими стрелками.
Устройство для вариативной одноцветной спектроскопии «накачка-зондирование» в терагерцовом диапазоне, содержащее перестраиваемый по частоте источник монохроматического излучения 1, который оптически последовательно связан с первой пропускающей дифракционной решеткой 2 и второй пропускающей дифракционной решеткой 3. Вторая пропускающая дифракционная решетка 3 оптически параллельно связана с прерывателем светового потока 4 и первым плоским зеркалом 5. Первое плоское зеркало 5 оптически последовательно связано с оптической линией задержки светового пучка 6, вторым плоским зеркалом 7, фокусирующим объективом 8, исследуемым образцом 9, открытой частью апертуры 10 и детектором излучения 11. Прерыватель светового потока 4 последовательно оптически связан с третьим 12 и четвертым 13 плоскими зеркалами, фокусирующим объективом 8, исследуемым образцом 9 и закрытой частью апертуры 10 (Фиг. 1).
Пример выполнения
В качестве перестраиваемого по частоте источника монохроматического излучения 1 используется лазер на свободных электронах (ЛСЭ), позволяющий перестраивать длину волны излучения в диапазоне 100-200 микрон и длительностью импульса излучения 100 пикосекунд (пс). В качестве примера такого ЛСЭ, можно, в частности, указать ЛСЭ в Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, г. Новосибирск [6].
-1
Первая 2 и вторая 3 пропускающие дифракционные решетки, используемые в заявляемом устройстве в качестве светоделителей, являются фазовыми дифракционными решетками из высокоомного кремния, обладающими тем свойством, что отношение интенсивностей пучков нулевого и ±1-го дифракционных порядков каждой из них, при смене поляризации падающего на них излучения с данной длины волны, не изменяется [7]. Дальнейшее рассмотрение предполагает, что период пропускающей дифракционной решетки (первой и второй) составляет 0,25 мм (4 штриха на 1 мм). Тогда угол отклонения пучка первого дифракционного порядка составляет приблизительно 23,5 градуса для длины волны 100 микрон и 53 градуса - для 200 микрон. Углы отклонения для длин волн между 100 и 200 микрон, очевидно, лежат в диапазоне 23,5-53 градуса. Длина и ширина первой пропускающей дифракционной решетки 2 должны превышать апертуру (поперечное сечение) пучка излучения перестраиваемого по частоте источника монохроматического излучения 1, как правило, составляющее величину порядка 1 см. Размеры второй пропускающей дифракционной решетки 3 должны учитывать угол отклонения пучков, чтобы пучки попали на вторую пропускающую дифракционную решетку 3. Тогда при расстоянии 10 см между первой 2 и второй 3 пропускающими дифракционными решетками минимально достаточный размер по соответствующей координате (поперек штрихов) для длины волны 200 микрон будет равна 16 см. Для 100 микрон этот размер составит порядка 8 см, что достаточно, чтобы разделить пучки с апертурой 1 см.
В качестве прерывателя светового потока 4 используется механическое устройство в виде вращающегося металлического диска диаметром 12 см с равномерно расположенными на расстоянии 5 см от центра диска десятью одинаковыми круглыми отверстиями диаметром 1,5 см. При вращении диска происходит периодическое совпадение или несовпадение отверстий диска с пучком накачки, что приводит к осцилляции интенсивности пучка после прохождения пучком прерывателя светового потока 4.
Первое 5, второе 7, третье 12, четвертое 13 плоские зеркала изготовлены из меди, покрыты золотом и имеют диаметр не менее 5 см.
В качестве фокусирующего объектива 8 используется линза из полиметилпентена (ТРХ) с апертурой 5 см и фокусным расстоянием 15 см.
В качестве оптической линии задержки светового пучка 6 используется стандартная моторизованная линия задержки 8МТ160-3 00 фирмы Standa, или аналог, которая обеспечивает прецизионную задержку в диапазоне 300 мм, что соответствует временной задержке 2 наносекунды. На подвижной каретке моторизованной линии задержки установлен стандартный уголковый отражатель [8], позволяющий отразить падающий на него пучок строго назад. Изменение времени задержки в таком устройстве происходит путем сдвига уголкового отражателя вдоль моторизованной линии задержки и рассчитывается делением удвоенного пути перемещения на скорость света.
В качестве детектора излучения 11 используется ячейка Голея (оптоакустический преобразователь) [9].
Апертура 10 представляет собой стандартную ирисовую диафрагму.
Заявленное устройство работает следующим образом:
t
Пучок излучения перестраиваемого по частоте источника монохроматического излучения 1, имеющий заданную линейную поляризацию, падает на первую пропускающую дифракционную решетку 2, которая расщепляет падающий пучок главным образом на три вторичных пучка: нулевого и ±1 дифракционных порядков. Пучок нулевого порядка может быть использован для контроля интенсивности излучения перестраиваемого по частоте источника монохроматического излучения 1 или поглощен. Углы отклонения пучков ±1 дифракционных порядков увеличиваются с увеличением длины волны излучения. Пучки ±1 дифракционных порядков направляются на вторую пропускающую дифракционную решетку 3, и каждый также расщепляется ей также на три вторичных пучка. Пучок -1 порядка, полученный при расщеплении пучка +1 дифракционного порядка первой пропускающей дифракционной решетки 2 на второй пропускающей дифракционной решетке 3, и пучок +1 дифракционного порядка, при расщеплении луча -1 дифракционного порядка первой пропускающей дифракционной решетки 2 на второй пропускающей дифракционной решетке 3 оказываются параллельны и используются далее, а остальные пучки поглощаются (поглотитель не указан), во избежание паразитных засветок детектора излучения 11. Пучок -1 дифракционного порядка, выполняющий роль пучка накачки, модулируется прерывателем светового потока 4, после чего последовательно проходит третье плоское зеркало 12, четвертое плоское зеркало 13, фокусирующий объектив 8, который фокусирует пучок излучения на исследуемый образец 9. Пучок накачки переводит частицы вещества исследуемого образца 9 в возбужденное состояние, из которого они релаксируют с некоторой постоянной времени τ. Прошедшее через исследуемый образец 9 излучение пучка накачки поглощается закрытой частью апертуры 10. Между тем пучок +1 порядка, выполняющий роль зондирующего пучка, направляется первым плоским зеркалом 5 на оптическую линию задержки светового пучка 6. Начальное положение оптической линии задержки светового пучка 6 (отрицательная задержка) выбирается таким образом, чтобы сумма всех отрезков пути от второй пропускающей дифракционной решетки 3 до исследуемого образца 9 для зондирующего пучка была меньше суммы всех отрезков пути от второй пропускающей дифракционной решетки 3 для накачивающего пучка на 3 см, что означает опережение на 100 пс и совпадает с длительностью импульса, перестраиваемого по частоте источника монохроматического излучения 1. После прохождения оптической линии задержки светового пучка 6 зондирующий пучок направляется вторым плоским зеркалом 7 на фокусирующий объектив 8, после чего фокусируется фокусирующим объективом 8 на исследуемый образец 9. Пройдя через исследуемый образец 9 с возбужденными излучением пучка накачки частицами, зондирующий пучок проходит через открытую часть апертуры 10 на детектор излучения 11, и также регистрируется сопряженным с ним измерительным прибором (на чертежах не указан), содержащим синхронный усилитель, настроенный на частоту оборотов прерывателя светового потока 4, что позволяет измерять только переменную часть интенсивности зондирующего пучка, связанную с воздействием пучка накачки. Значение измеренного сигнала и величина времени задержки между накачивающим и зондирующим пучками записывается любым доступным способом. Затем изменяют величину задержки импульса зондирующего пучка таким образом, чтобы удлинить его путь до исследуемого образца 9 так, чтобы время задержки изменилось на величину, меньшую τ, измеряют величину сигнала детектора излучения 11 и записывают вместе с соответствующим значением времени задержки между зондирующим и накачивающим пучками. При величине времени задержки, равной t=0 накачивающий и зондирующий пучки приходят на исследуемый образец 9 одновременно, что приводит к резкому возрастанию сигнала детектора излучения 11 до величины Smax. Это означает, что излучение зондирующего пучка стало меньше поглощаться в исследуемом образце 9 ввиду того, что некоторая часть частиц исследуемого образца 9, возбужденная импульсом накачивающего пучка, не участвует в процессе поглощения. Дальнейшее увеличение времени задержки сопровождается постепенным снижением сигнала вплоть до нуля. Время τ определяется как время, за которое Smax уменьшится в 2,718 раз, отсчитывая от t=0. Максимальное значение величины оптической задержки не ограничено и выбирается исходя из технических возможностей, но для получения необходимой информации о конкретном исследуемом образце 9 эта величина должна обеспечивать задержку между накачивающим и зондирующим пучками на время >τ. Таким образом, отслеживают весь процесс релаксации частиц исследуемого образца 9 из состояния, определяемого энергией фотонов на данной частоте излучения при заданной его поляризации. Изменив частоту излучения, исследуют процесс релаксации частиц исследуемого образца 9 из иного энергетического состояния. Зависимость величины поглощения от интенсивностей пучков накачки и зондирования можно получить как и в известных устройствах, ослабляя пучки накачки или зондирования дополнительными, не показанными на чертежах, ослабителями, устанавливаемыми перед фокусирующим объективом 8. Дополнительную информацию о веществе исследуемого образца 9, в случае его анизотропности, получают, выполнив вышеописанную процедуру измерений при другой поляризации излучения перестраиваемого по частоте источника монохроматического излучения 1.
Отметим, что смена длины волны и поляризации излучения в заявляемом устройстве не влечет за собой никакой его перенастройки (повторной юстировки), поскольку, с одной стороны, угол падения лучей пучков на первое плоское зеркало 5 и третье плоское зеркало 12 не зависит от длины волны излучения, а с другой стороны - изменение поляризации излучения не приводит к изменению отношения интенсивностей пучков обоих каналов, как это имеет место в устройстве-прототипе.
р
р
В качестве примера, сравним функционирование устройства-прототипа и заявляемого устройства при исследовании образца из анизотропного вещества с изменением поляризации излучения с длиной волны 150 мкм с - на s-тип. У прототипа, согласно рис. 3 из источника информации [10], коэффициент отражения прошедшего через полипропиленовую пленку толщиной 20 мкм, используемую обычно в качестве светоделителя в терагерцовом диапазоне, при угле падения 45°, изменится от 2,5% до 25% при переходе от - к s-поляризации, что неизбежно потребует затратного по времени изменения расположения светоделителей - перенастройки (повторной юстировки). Использование же двух идентичных дифракционных решеток в качестве светоделителей в заявляемом устройстве не приведет к изменению относительной интенсивности пучков в обоих каналах ни при смене типа поляризации излучения, ни при изменении его длины волны, что способствует сокращению продолжительности измерений.
Таким образом, по сравнению с прототипом, заявляемое устройство позволяет существенно сократить продолжительность измерений методом вариативной одноцветной спектроскопии «накачка-зондирование» в терагерцовом диапазоне, а также позволяет расширить класс исследуемых веществ за счет включения не только изотропных, но и анизотропных веществ. Для заявленного устройства перенастройка (повторная юстировка) элементов не требуется, а для прототипа время перенастройки (повторной юстировки) зависит от навыков оператора и может занимать от нескольких десятков минут до часов.
Источники информации
[1] Е.  H.-W.  М. F.G. Kimmitt. / Terahertz Techniques, Springer Series in Optical Sciences. // Springer. Heidelberg-Dordrecht-London-New York - 2013 - p. 163.
[2] Hoffmann M.C., Hebling J., Hwang H.Y., Yeh Ka-Lo, and Nelson K.A. / Impact ionization in InSb probed by terahertz pump-terahertz probe spectroscopy // Physical Review (B) - 2009 - v. 79, p. 161201 (R).
[3] Abramczyk Halina. / Introduction to Laser Spectroscopy. // Amsterdam: Elsevier - 2005 - Ch.8, p. l75-217.
[4] E. Malic, A. Knorr. / Graphene and carbon nanotubes. Ultrafast relaxation dynamics and optics. // Издательство WCH Verlag GmbH and Co, KGaA - 2013 - c. 51-58, (прототип).
[5] Ландсберг Г.С. / Оптика // Физматлит, 6-е издание - 2003 - с. 182-192.
[6] G.N. Kulipanov, В.А. Knyazev, N.G. Gavrilov / Research highlights from Novosibirsk 400 W average power THz FEL // Terahertz science and technology: The international electronic journal of THz. - 2008. - Vol. 1, No 2. - p. 107-125.
[7] Агафонов A.H., Володкин Б.О., Кавеев А.К., Князев Б.А., Кропотов Г.И., Павельев B.C., Сойфер В.А., Тукмаков К.Н., Цыганкова Е.В., Чопорова Ю.Ю. / Кремниевые дифракционные оптические элементы для мощного монохроматического терагерцового излучения // Автометрия - 2013 - т. 49, №2, с. 99-105.
[8] Кравцов В., Сербин И. / Уголковые отражатели // Квант : журнал. - 1978 - №12. - С. 7-9, 46.
[9] М. J. Е. Golay / Theoretical consideration in heat and infra-red detection, with particular reference to the pneumatic detector // Review of Scientific Instruments - 1947 - v. 18, p. 347.
[10] Герасимов В.В., Князев Б.А., Рудыч П.Д., Черкасский B.C. / Френелевское отражение в оптических элементах и детекторах для терагерцового диапазона // Приборы и техника эксперимента - 2007 - №3, с. 1-6.