Способ внутриволноводной терагерцовой интерферометрии и сапфировая ячейка для его реализации
METHOD FOR INTRA-WAVEGUIDE TERAHERTZ INTERFEROMETRY AND SAPPHIRE CELL FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области интерферометрии, и может быть использовано в биомедицине, науках о материалах, средствах обеспечения безопасности, экспертизы, для детектирования веществ, определения характеристик веществ, в том числе, при малой концентрации, в условиях высоких температур, давления, в агрессивных средах и т.д.
Известным способом характеризации веществ является анализ интерференции излучения, получаемого от излучения одного источника, разделенного на опорный пучок и пучок, взаимодействующий с веществом (интерферометр Юнга). Такой способ, в частности, реализован с применением интегральной оптики ["Integrated bimodal waveguide interferometric biosensor for label-free analysis" K.E. Zinoviev, A.B. Gonzalez-Guerrero, C. Dominguesand, L.M. Lechuga, Journal of Lightwave Technology, 2011, Vol.29, lss.13, pp.1926-1932], где некогерентное излучение лазерного диода вводится в имеющий разветвление световод, в котором излучение далее распространяется по двум световодным каналам, один из которых содержит участок, контактирующий с анализируемым веществом. Выходные торцы световодных каналов являются вторичными источниками, на некотором расстоянии от которых наблюдают интерференционную картину. Картина может регистрироваться с помощью линейки или массива приемных элементов. Информацию несут как сдвиг полос, так и их интенсивность и контраст. Недостатком способа является существование ошибок, вносимых в точность измерений пространственным разнесением световодных каналов интерферометра.
Известным способом детектирования веществ является использование интерференции собственных мод излучения в одном и том же волноводе, находящемся в контакте с анализируемым веществом ["Design of a Single-Channel Modal Interferometer Waveguide Sensor" R. Levy and S. Ruschin, IEEE Sensors Journal, 2009, Vol. 9, lss. 2, pp. 146-151]. В этом способе излучение вводится в пленарный одномодовый световод, соединенный с пленарным двухмодовым световодом, имеющим участок с открытой сердцевиной, на которую нанесено анализируемое вещество, и выводится через выходной одномодовый световод, где измеряется его интенсивность. Изменение эффективного показателя преломления волновода в результате контакта с веществом с отличающимся показателем преломления в разной степени изменяет фазы основной и высшей мод в двухмодовом участке волновода, что приводит к изменению интенсивности результирующего излучения, прошедшего весь волновод. Данный способ может быть использован для создания миниатюрных датчиков анализа малых количеств веществ. Недостатком данного способа является невозможность анализа пространственно-временных изменений интерференционной картины, что ограничивает чувствительность детектирования.
Известны фотонно-кристаллические (ФК) волокна с полой сердцевиной, используемые для передачи излучения (видимого и ближнего инфракрасного диапазона) с малыми потерями и дисперсией и одновременно являющиеся кюветой для анализируемого вещества. Вещество находится в центральном и/или оболочечных каналах ФК волокна ["Gas sensing using air-guiding photonic bandgap fibers" T.Ritari, J. Tuominen, H. Ludvigsen, J.C. Petersen, T. Sorensen, T.P. Hansen, and H.R. Simonsen, Optics Express, 2004, Vol. 12, Iss. 17, pp. 4080-4087]. В таком устройстве обеспечивается большая длина взаимодействия излучения с веществом, требуется малое количество вещества. Данные ячейки имеют недостаток, заключающийся в ограничении диапазонов механических и температурных режимов испытаний.
Известны волноводы для передачи терагерцового (ТГц) излучения, имеющие ФК структуру с полой сердцевиной, ФК структура обеспечивает низкие потери и дисперсию в волноводе при передаче импульсного терагерцового излучения (ТГц), распространяющегося преимущественно в пределах полого центрального канала. Известным устройством для передачи ТГц излучения, предназначенным для импульсной спектроскопии удаленных объектов, является сапфировый ТГц ФК волновод, представляющий собой стержень с системой протяженных полых отверстий, образующих ФК систему для данного диапазона 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]. Данный волновод является многомодовым, при этом относительно небольшая длина волновода для данного диапазона длин волн приводит к тому, что на выходе волновода распространяются более двух мод, что осложняет анализ параметров их интерференции. При этом зависимость результирующего эффективного коэффициента преломления волновода от длины волны излучения является сложно анализируемой. Это ограничивает применение данного волновода для внутриволноводной интерферометрии.
Технический результат настоящего изобретения состоит в повышении чувствительности внутриволноводной интерферометрии, расширении диапазона режимов, при которых возможно проведение измерений, включая измерения при температурах вплоть до 2000°С, при существенно высоком/низком давлении, в химически агрессивных средах.
Для достижения названного технического результата в предлагаемом способе излучение вводят в двухмодовый волновод, часть которого занимает анализируемое вещество, далее излучение распространяется в волноводе в виде двух мод и выходит из волновода, где на выходе измеряют интенсивность излучения, модулированную в результате интерференции двух мод волновода, дополнительно излучение на выходе из волновода пропускают через фигурную диафрагму, после чего, в дальней зоне на расстоянии, превышающем на порядок среднюю длину волны используемого излучения (>10λ,), в плоскости, перпендикулярной оси волновода, регистрируют интерференционную картину, получаемую в результате интерференции собственных мод волновода.
Для достижения названного технического результата также предлагается сапфировая ячейка, представляющая собой ТГц волновод в виде сапфирового стержня с входным и выходным торцами и центральным каналом, вокруг которого расположены каналы, образующие фотонный кристалл для данного типа электромагнитного излучения, при этом, ТГц волновод является двухмодовым, основная и первая моды волновода имеют один порядок интенсивности для рассматриваемого диапазона частот и занимают преимущественно центральный канал волновода, на входном торце имеется диафрагма с круглым отверстием диаметром меньше диаметра центрального канала, на выходном торце имеется диафрагма с несимметричным отверстием.
Взаимодействие излучения с веществом, оказывающее различное влияние на распространение основной моды и моды первого порядка волновода (по разному изменяющиеся эффективные показатели преломления, удельные потери для этих мод и др.) приводит к изменению структуры и контраста интерференционной картины на выходе волновода.
Использование двухмодового сапфирового ТГц волновода, у которого основная и первая моды занимают пространство центрального полого канала, содержащего анализируемое вещество, позволяет увеличить объем, в котором происходит взаимодействие излучения с анализируемым веществом. Изменение условий измерений (например, повышение температуры) происходит одинаково для обеих мод - каналов интерферометрии, что устраняет ошибки измерений, свойственные предшествующим устройствам.
Установка диафрагмы на входном торце ТГц волновода позволяет упростить введение ТГц излучения в волновод, а также способствует уменьшению доли излучения в оболочечных модах используемого волновода с полой сердцевиной.
Использование фигурной диафрагмы в плоскости выходного торца позволяет наблюдать неосесимметричную интерференционную картину на расстоянии, превышающем на порядок среднюю длину волны используемого излучения (7-10 мм для терагерцового излучения). В частности, при использовании диафрагмы в форме полукруга наблюдается интерференционная картина в виде полос. В качестве анализируемого параметра выступает как поперечный сдвиг полос, так и их интенсивность и контраст, что позволяет повысить чувствительность детектирования различных количеств (концентраций) веществ, исследования фазовых переходов, химических превращений в веществах, находящихся в каналах ячейки, в том числе при изменении температуры, давления и др.
Монокристаллический сапфир, из которого изготовлена ячейка, обладает жесткостью, что минимизирует деформации и, соответственно, их влияние на волноводные свойства ячейки. Кроме того, ячейка не подвержена старению и ухудшению свойств материала и поверхности в широком диапазоне изменяющихся условий, требуемых при эксперименте, а также внешних факторов (включая измерения при температуре до 2000°С, при высоком/низком давлении, в химически агрессивных средах). Таким образом, обеспечивается стабильность собственных характеристик ячейки и результатов внутриволноводной интерферометрии с сапфировой ячейкой в многократных рабочих циклах. Работа устройства иллюстрируется рисунками и примером использования.
Фиг. 1 Схема сапфировой ячейки для внутриволноводной ТГц интерферометрии в частном случае изобретения
Фиг. 2 Схема внутриволноводной ТГц интерферометрии
Фиг. 3 Структура фундаментальной (НЕ11) и высшей (НЕ21) мод в центральном
канале сапфировой ячейки
Фиг. 4 Вид интерференционной картины
2
Фиг. 5 Температурная зависимость интерференции двух низших мод на частоте 0,4 ТГц при внутриволноводной интерферометрии в ячейке с NaNO.
На Фиг. 1 показана схема частного случая реализации изобретения. Ячейка 1 имеет 30 продольных каналов 2 диаметром 1,6 мм, каждый из которых расположен в узле гексагональной решетки с периодом 2,8 мм, образуя ФК структуру вокруг центрального канала 3 диаметром 7,2 мм. Данная ячейка характеризуется низкими потерями и дисперсией ТГц излучения в спектральном диапазоне от 0.2 до 1.2 ТГц. Дисперсия данного волновода в диапазоне 0.65 .. 1.2 ТГц изменяется в пределах 0.061-1 пс/(ТГц⋅см). Коэффициент пропускания волновода является преимущественно результатом сложения двух интерферирующих низших мод (НЕ11 и НЕ21), локализованных в центральном канале 3 ячейки, которые могут быть рассмотрены в качестве независимых источников монохроматического излучения (Фиг. 2). На входном торце ячейки имеется круглая диафрагма 4, на выходном торце ячейки установлена несимметричная диафрагма 5.
Пример.
2
Была рассмотрена возможность детектирования фазового перехода первого рода (плавления) нитрита натрия. На центр входной грани ячейки 1, в центральном канале которой был высажен слой 6 NaNO, фокусировался пучок квазимонохроматического ТГц излучения 7 (Фиг. 3). На входе ячейки была установлена 5,5-миллиметровая диафрагма 4 для предотвращения распространения оболочечных мод. После того, как ТГц излучение проходило ячейку, оно пропускалось через несимметричную выходную диафрагму 5 в виде полукруга диаметром 8 мм на выходном торце ячейки 1. Выходная диафрагма использовалась для повышения интерференционного контраста между четной и нечетной модами волновода. Интерференционная картина 8 формировалась в результате взаимодействия фундаментальной моды Н11 и сегмента от моды высшего порядка Н21 в виде искривленных параллельных полос (Фиг. 4). Затем выполнялось 2-D сканирование ячейкой Голея 9 поля в плоскости изображения 10 для регистрации интерференционной картины 8. Область сканирования располагалась на расстоянии 7 мм от выходного торца ячейки. Оценивалось как изменение интенсивности полос, так и смещение максимумов интерференции при постепенном повышении температуры от 30 до 300°С, которое достигалось путем постепенного нагревания ячейки в нагревателе 11.
Ячейка без вещества была предварительно охарактеризована для диапазона температур от 30 до 300°С по способу данного изобретения.
Массив полученных данных обрабатывался для выявления изменения интерференционной картины с ростом температуры (смещение максимумов и изменение интенсивности в максимуме интерференционной картины, Фиг. 4). Зависимости показывают заметные изменения в процессе плавления нитрита натрия при температуре 271°С (Фиг. 5), в то время как референтная зависимость для пустой ячейки таких особенностей в окрестности указанной температуры не имеет.
Использование ячейки из профилированного сапфира, который обладает высокой стабильностью физико-химических свойств, и способа ТГц внутриволноводной интерферометрии с ее использованием позволяет существенно расширить возможности этого способа исследования свойств веществ в ТГц диапазоне.