Введение к работе
Актуальность темы исследования. Терагерцовая (ТГц) область частот, находящаяся в пределах от 300 ГГц до 10 ТГц, представляет собой довольно значительную область спектра электромагнитных излучений, находящуюся между микровол-нозым и инфракрасным диапазонами. В отличие от последних, излучение терагерцо-вого диапазона до последнего времени практически не использовались, и количество знаний и ТГц технологий в настоящее время сильно уступает технологиям, связанным с излучениями других частот электромагнитного спектра. Это было связано как с отсутствием источников достаточно мощного когерентного терагерцового излучения, так и приёмников, способных измерить основные характеристики излучения данной области спектра.
Развитие импульсной терагерцозой спектроскопии с разрешением по времени и связанных с ней терагерцовых технологий привело к появлению ещё одного способа изучения окружающего мира. Терагерцовому излучению нашлось большое количество потенциальных применений —в медицине, микроэлектронике, сельском хозяйстве и многих других областях.
ТГц диапазон охватывает актуальную область колебательных, вращательных и трансляционных линий широкого класса органических и биологических молекул [1]. Беспрепятственное проникновение сквозь дымы и туманы, одежду, бумагу, дерево, пластмассу, керамику и другие материалы открывает широкие возможности интра-видения, а небольшая энергия терагерцовых квантов и связанный с этим неионизу-ющий характер терагерцового излучения для его использования в биологии и медицине. В то же время энергия терагерцовьк квантов соответствует колебательной энергии важных биологических молекул, включая молекулы ДНК и РНК, что позволяет осуществлять целенаправленное воздействие на них как в исследовательских, так и медицинских целях, стимулируя или подавляя развитие вирусов, клеток и/или их компонентов.
Не менее перспективным является применение терагерцового излучения в медицине для визуализации, томографической и топографической регистрации тканей, тералии и хирургии [2]. ТГц голография и томография потенциально способны заменить и вытеснить рентген и ультразвук из медицинских исследований и дефектоскопии, поскольку с ростом вычислительных мощностей данная технология позволит получать трехмерный образ внутренних тканей с разрешением в несколько десятков микрон в реальном времени.
Разработка новых методов формирования изображений в ТГц диапазоне спектра безусловно является актуальным и востребованным направлением исследований.
Выбранное наиравленке работы основано на анализе современных методов получения изображений в терагерцовом диапазоне. Стоит также упомянуть о спектральной информации, записываемой на голограмму по предлагаемому методу, что позволяет восстанавливать объекты, обладающие спектральными особенностями в терагерцовом диапазоне спектра и различать их друг от друга.
Цель работы. Исследование и разработка новых, методов записи и восстановления изображений в терагерцовом диапазоне спектра. Проектирование и реализация установки для записи голограмм в терагерцовом диапазоне. Численный анализ разработанного метода —исследование разрешающей способности, устойчивости к шуму, качества восстанавливаемого изображения, а также поиск возможных путей повышения эффективности разработанного метода.
Задачи исследования: В рамках данной работы решались следующие задачи:
Анализ существующих методов генерации и детектирования импульсного терагер-цового излучения, записи и восстановления изображений с помощью импульсного ТГц излучения.
Разработка и реализация экспериментальной установки для целей импульсной те-рагерцовой голографии и спектроскопии.
Разработка математической модели безопорной и опорной импульсной ТГц голографии с разрешением во времени.
Программная реализация разработанной математической модели и проведение численных экспериментов.
Проведение экспериментов по записи ТГц голограмм на экспериментальной уста-незке и сравнение полученных результатов с результатами моделирования.
Методы исследоваииа: Диссертационное исследование включает в себя теоретические и экспериментальные методы. К теоретическим методам относятся методы дифракциоиноЯ оптики и цифровой голографии. Экспериментальное исследование включает создание установки и проведение измерений на ней, а также программную реализацию рассмотренных теоретических методов с последующим сравнением результатов измерений и моделирования. Программная реализация алгоритмов осуществляется в средах GCC в операционной системе Linux (может быть легко перенесено в любую UNIX-систему), с использованием многопоточных вычислений, реализованных с помощью библиотеки MPI.
Защищаемые положения. На защиту выносятся следующие положения:
Впервые разработаны методы опорной и безопорной импульсной терагерцовой голографии и показано, что:
Возможно использование двух схем получения и восстановления голограмм с помощью импульсного ТГц излучения.
С использованием виртуальной опорной волны в методе опорной импульсной ТГц голографии уваничивается соотношение сигнал-шум в восстанавливаемом изображении по сравнению с безопорной.
ГГрозедена запись и восстановление изображения объекта с ТГц голограммы по методу безопорной импульсной ТГц голографии.
Аналитически и методом численного моделирования показано, что, при одинаковых условиях минимальный разрешаемый элемент в изображении, при восстановлении методом безопорной импульсной ТГц голографии меньше, чем у метода опорной ТГц голографии
Научная новизна работы.
Проведен экспериментальный анализ и сравнение различных источников и приемников импульсного терагерцового излучения, различных методов ТГц спектроскопии и томографии. Выявлено, что спектральные характеристики ТГц приёмников на основе кристаллов CdTe при использовании опорного излучения с длиной волны 1040 нм не зависят от толщины кристалла.
Разработана и собрана установка для целей терагерцовой голографии и спектроскопии.
Разработан пакет компьютерных программ для моделирования процесса импульсной терагерцовой голографии, как построения голограмм, так и восстановления моделированных или записанных на установке голограмм.
Теоретическая и практическая ценность.
Разработанный мыогопото'шый высокопроизводительный пакет программ может использоваться как для целей моделирования процесса импульсной ТГц голографии, так и для целей стандартной цифровой голографии, а также для исследования процесса дифракции на произвольных объектах излучений любого спектрального состава и конфигурации.
Разработаїшая усталовка для ТГц голографии и ссєктроскопии используется для проведения спектрального анализа веществ и материалов в терагерцовом диапазоне спектра.
Предложенный метод ТГц голографии может быть использован для целей дефектоскопии, локализации и детектирования потенциально опасных веществ.
Внедрение результатов работы. Установка по ТГц голографии спектроскопии успешно работает в центре фемтосекукдной оптики к фемтотехнологий СПбГУ ИТМО. Результаты, полученные на устанозке, использовались в ряде хоздоговорных работ.
Апробация работы. Результаты работы были представлены на IV-й межвузовской конференции молодых ученых (Санкт-Петербург 2007), XXXVIl-й научной и учебно-методической конференции СПбГУ ИТМО(Санкт Петербург 2007), V Международной конференция молодых ученых и специалистов «Оптика - 2007» (Санкт-Петербург 2007), V-й всероссийской межвузовской конференции молодых ученьгх(Санкт-Петербург 2008), XXXVIII-й научной и учебно-методической конференции СПбГУ ИТМО (Санкт-Петербург 2008), международном симпозиуме «Topical Problems of Biophotonics - 2007» (Нижний Новгород 2007), X Международном семинаре по квантовой оптике IWQO-2007 (Самара 2007), Всероссийском семинаре памяти Ю.Н. Денисюка (Санкт-Петербург 2007), международной конференции «HoloExpo - 2G07* (Москва 20Q7), международной конференции «SPIE Photonics West - 2008» (Сан-Хосе, США 2008), международной конференции «Electronic Processes in Organic Materials -2008» (Львов, Украина 2008), международной конференции «Laser optics for young scientists - 2008* (Санкт-Петербург 2008), международной кон4>еренции «SPIE Europe Security and Defence - 2008» (Кардифф, Вликобритания 2008), .всероссийской конференции «Фундаментальные проблемы оптики - 2008» (Санкт-Петербург 2008), научной школе МИФИ - 2009 (Москва 2009), VI-й всероссийской межвузовской конференции молодых ученых (Санкт-Петербург 2009), международной конференции sMICS - 2009» (Трувилль, Франция 2009), всероссийской школе «Волны - 2009» (Москва 2009), международном симпозиуме «Topical Problems of Biophotonics - 2009» (Нижний Новгород 2009), VI Международной конференция молодых ученых и специалистов ^Оптика - 2009» (Санкт-Петербург 2009). Доклады отмечены грамотами за лучший доклад среди молодых ученых на X Международном семинаре по квантовой оптике IWQO-2007 и на VI-й всероссийской межвузовской конференции молодых ученых.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 17 печатных работ, 7 из них - в изданиях, входящих в «Перечень ...» ВАК. Список публикаций приведён з конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Общий объем диссертации —121 страница, включая библиографию из 84 наименований. Работа содержит 41 рисунок, размещённый внутри глав.
