Способы визуализации терагерцовых пучков

Введение

В последние годы фундаментальные и прикладные исследования с использованием терагерцового (ТГц) излучения стали активно развивающейся междисциплинарной областью, охватывающей различные научные и технологические сферы. При проведении исследований ТГЦ излучения для формирования представлений о физических процессах, являющихся неотъемлемой частью такого излучения, немалое значение имеет необходимость получения надежной информации о спектрально-временных, энергетических и пространственных параметрах импульса ТГц излучения. Для измерения временных и спектральных свойств ТГц источников существует несколько хорошо известных методов, таких как ТГц Фурье-спектроскопия, ТГц спектроскопия временного разрешения. Стандартными решениями для измерения ТГц энергии являются пироэлектрические детекторы, ячейки Голея и болометры. Однако в настоящее время доступно лишь ограниченное количество методов и инструментов для записи и визуализации пространственного распределения ТГц полей. Современное состояние в области ТГц визуализации отстает от того, что доступно для оптического и рентгеновского диапазонов. Решения для визуализации ТГц волн имеют более высокую стоимость, более низкие разрешение и динамический диапазон) и ограниченную доступность готовых продуктов. Несомненно, для любой области исследований, где используются мощные ТГц импульсы, необходимо получать эти данные напрямую с достаточной точностью, без длительных процедур и без использования дополнительных инструментов (аттенюаторов, фильтров, поляризаторов и т. д.), которые могут искажать волновой фронт, спектральный состав, пространственное распределение, что, в свою очередь, непосредственно влияет на оценки значений плотности энергии, интенсивности и напряженности электрического поля импульса ТГц излучения.

Исследователи ТГц волн показали, что при определенных параметрах ТГц импульса можно достичь условий, при которых возможна прямая визуализация ТГц излучения в спектральном диапазоне от 2 ТГц до 10 ТГц с использованием обычного полупроводника. Однако устройства, базирующиеся на ПЗС/КМОП матрицах, ограничивают спектральный диапазон визуализации ТГц излучения, поскольку энергия ТГц кванта (единицы мэВ) ничтожна по сравнению с шириной запрещенной зоны и средней энергией электронно-дырочной пары в полупроводнике. Например, для кремния эти значения равны 1.1 эВ и 3.6 эВ, соответственно, поэтому этот метод применим только для достаточно высоких значений напряженности электрического поля ТГц импульса (порядка МВ/см и выше), когда основными механизмами генерации электронно-дырочных пар становятся туннельный эффект и ударная ионизация.

В данной статье будут рассмотрены два способа визуализации ТГц полей: с применением ПЗС камеры и с применением микроболометрической камеры от Swiss Terahertz.

Визуализация ТГц излучения с применением ПЗС камеры

Экспериментальная схема генерации ТГц импульсов и способ измерения параметров пучка ТГц излучения в фокальной плоскости с использованием кремниевой ПЗС камеры показаны на рис. 1. Перед проведением экспериментов с датчика ПЗС камеры было снято защитное стекло для повышения ее чувствительности в ТГц диапазоне. Стоит отметить, что эта процедура не оказывает влияния на работу камеры в целом, но позволяет избежать дополнительного поглощения ТГц излучения в стекле и, соответственно, позволяет увеличить динамический диапазон ПЗС матрицы в ТГц диапазоне.

Рисунок 1. Схема экспериментальной установки для генерации ТГц импульсов и измерения параметров пучка с использованием ПЗС камеры

На рис. 2 приведены характерные изображения ТГц пятен в фокальной плоскости, полученные с применением ПЗС камеры для импульсов в спектральном диапазоне 1 - 3 ТГц. Однако из-за сильного нелинейного отклика ПЗС камеры в ТГц области спектра и низкого динамического диапазона ПЗС матрица быстро входит в режим насыщения, что затрудняет оценку реального размера пучка ТГц излучения, сфокусированного вблизи дифракционного предела, с напряженностью электрического поля выше порога насыщения. Чтобы вернуться в динамический диапазон, можно использовать ТГц аттенюаторы, однако их использование влияет на достоверность результатов измерений, например, после прохождения интенсивного ТГц импульса через аттенюатор, его спектральный состав может быть изменен, что приводит к изменению размера ТГц пучка в фокальной плоскости из-за линейной связи с длиной волны излучения.

Рисунок 2. Снимки ТГц пятна в фокальной плоскости, полученные с применением ПЗС камеры при использовании в схеме внеосевых параболических зеркал с различными фокусными расстояниями: а) фокусное расстояние 50.8 мм, энергия в импульсе, попадающая на датчик ПЗС камеры, 16 мДж; б) фокусное расстояние 76.2 мм, энергии в импульсе, попадающая на датчик ПЗС камеры, 37 мДж; (в) фокусное расстояние 101.6 мм, энергии в импульсе, попадающая на датчик ПЗС камеры, 76 мДж

Визуализация ТГц излучения с применением микроболометрической камеры

На рис. 3 показана схема регистрации фокального пятна ТГц излучения неохлаждаемой микроболометрической камерой RIGI производства компании Swiss Terahertz, установленной в фокальной плоскости фокусирующего элемента. Микроболометрические матрицы являются устройствами обнаружения излучения, принцип работы которых основан на измерении изменения электрического сопротивления в ответ на изменение температуры.

Рисунок 3. Схема экспериментальной установки для генерации и анализа ТГц излучения с применением микроболометрической камеры (длина волны накачки 1300 нм, толщина кристалла 700 мкм)

Результаты регистрации фокального пятна ТГц излучения с применением терагерцовой камеры RIGI приведены на рис. 4. Снимки были получены с применением различных фильтров с ограниченной полосой пропускания, поскольку чувствительность микроболометрических датчиков обычно увеличивается с увеличением частоты, а высокие частоты соответствуют меньшим размерам фокального пятна. Измеренные радиусы зарегистрированных фокальных пятен показаны на рис. 4 (б).

Рисунок 4. Визуализация ТГц излучения микроболометрической камерой: а) пространственный профиль сфокусированного ТГц пучка с применением 18 ТГц фильтра низких частот, (б) размер фокального пятна ТГц пучка по горизонтальной (х) и вертикальной (у) осям

Таким образом, можно сделать вывод, что неохлаждаемые микроболометрические камеры являются перспективной и компактной платформой для визуализации ТГц излучения, позволяющей получать достоверные результаты измерений профиля распределения интенсивности и размера пятна в фокальной плоскости фокусирующего элемента.

Opt. Lett. 44, 17 (2019) 4099
Appl. Phys. Lett. 114 (2019) 241101

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции Swiss Terahertz на территории РФ