Введение к работе
Актуальность исследований
Стремительным развитием фемтосекундных лазерных систем и оптоэлектронных приборов обусловлено применение терагерцового (ТГц) излучения в научных разработках и перспективных технологиях, в том числе для неразрушающего контроля [1], диагностики и терапии биологических объектов [2, 3], интравидения и пр. [4]. Большой интерес для исследований представляет широкополосное ТГц излучение в частотном диапазоне от 0,1 до 2,0 ТГц, в котором можно проводить спектральный анализ как простых, так и композитных объектов [5].
Основываясь на концепции ТГц спектроскопии с измерением во временной области, были разработаны, апробированы и стали востребованными техники формирования изображений с использованием импульсного ТГц излучения [6], предоставляющие возможность измерения пространственно-неоднородных спектров, несущих информацию об оптических характеристиках исследуемых образцов. Возможность получения не только амплитудной, но также и фазовой информации для всех спектральных компонент, измеренных импульсных широкополосных ТГц полей, при их разложении в Фурье-спектр, позволила разработать метод импульсной ТГц голографии (см. работу [7] и ссылки на литературу в ней). ТГц голограммы представляют собой пространственно-временные профили, измеренные в широком пучке ТГц излучения на некотором удалении от исследуемого объекта, а восстановление его амплитудно-фазовых характеристик основывается на техниках численного решения уравнений распространения волн для пространственных распределений комплексного поля на каждой из спектральных компонент. Такой подход позволяет стационарно располагать исследуемые объекты в коллимированном пучке и отказаться от использования дополнительных оптических компонентов, что позволяет достигать пространственного разрешения, ограниченного дифракционным пределом.
Однако, несмотря на продемонстрированные преимущества импульсной ТГц голографии, существует ряд нерешённых актуальных задач, ограничивающих возможности данного метода. Так, например, базовая математическая модель восстановления изображений из ТГц голограмм [8] основана на ресурсоёмком решении уравнений Рэлея-Зоммерфельда, в которых показатель преломления рассматривался как константа для каждой из спектральных компонент. Пренебрежение дисперсией показателя преломления, как в объекте, так и в среде распространения ТГц излучения, ограничивает класс исследуемых сред и материалов в ТГц голографии. Не менее важным является решение проблемы восстановления изображения протяжённого объекта из голограммы, ограниченной малыми размерами используемого электрооптического кристалла-детектора или апертуры матрицы камеры-детектора. Специфика голографической записи в ТГц диапазоне частот усугубляется довольно большими величинами длин волн относительно неоднородностей в исследуемых средах и образцах, вследствие чего
большинство объектов в этом диапазоне классифицируются как нерассеивающие. Из этого обстоятельства следует, что хорошо известное свойство делимости голограммы не выполняется. Также, к ограничениям ТГц голографии можно отнести отсутствие методов повышения разрешения восстанавливаемых изображений на низких частотах ТГц спектра. Наличие всех этих проблем послужило мотивацией для появления данного диссертационного исследования.
Цель и задачи диссертационной работы
Цель работы: Разработка методов записи и обработки импульсных ТГц голограмм, а также восстановления из них изображений для расширения возможностей импульсной ТГц голографии в исследованиях эволюции широкопольных волновых фронтов при их распространении в средах с дисперсией показателя преломления.
Задачи, решаемые в работе:
-
Выбор и адаптация методов численного решения уравнений распространения волн, характеризующихся низкой вычислительной сложностью и учитывающих дисперсию показателя преломления в среде и в исследуемом объекте для численного моделирования импульсных ТГц голограмм и восстановления из них изображений.
-
Определение влияния учёта дисперсии на восстанавливаемые амплитудно-фазовые характеристики объекта в случаях, когда показатель преломления не является константой на спектральных компонентах, используемых для вычисления рельефа объекта.
-
Создание метода обработки цифровых ТГц голограмм для увеличения поля зрения и повышения разрешения восстанавливаемых изображений на частотах 0,5-1,0 ТГц.
-
Разработка метода записи цифровых широкопольных ТГц голограмм нерассеивающих объектов в условиях ограниченной апертуры детектора ТГц излучения для реализации возможности восстановления полного изображения объекта.
Достоверность результатов
Достоверность проведенных исследований подтверждается
воспроизводимостью полученных результатов и согласованностью с результатами авторов других работ, адекватностью и логичностью используемых теоретических моделей, описывающих методы формирования изображений в ТГц диапазоне частот. Методы исследования:
Поставленные в рамках данной работы задачи решались на основе численных экспериментов. Численные расчеты процесса распространения широкополосных волновых полей выполнялись с использованием методов углового спектра плоских волн и свертки поля с импульсным откликом системы. Все численные эксперименты проводились с использованием оригинального программного обеспечения, разработанного в среде графического программирования National Instruments Lab VIEW.
Практическая реализация результатов работы
Результаты работы использовались при выполнении двух проектов в рамках государственного задания в сфере научной деятельности образовательным организациям высшего образования, подведомственным Минобрнауки России, а также были дважды поддержаны грантами для аспирантов вузов, отраслевых и академических институтов, расположенных на территории Санкт-Петербурга.
Научная новизна проведённых исследований
-
Произведён учёт дисперсии ТГц излучения в объекте и в среде распространения, и показано влияние этого учёта на восстанавливаемые из ТГц голограмм амплитудные и фазовые изображения, в случаях, когда показатель преломления не является константой в диапазоне 0,1 - 2,0 ТГц.
-
Предложен подход к увеличению восстанавливаемого из ТГц голограммы в зоне дифракции Френеля пространственного распределения импульсного ТГц волнового поля, основанный на итерационном решении уравнений распространения волн для отдельных пространственно-ограниченных спектральных компонент.
-
Продемонстрирована возможность восстановления изображений слабо рассеивающих в ТГц частотном диапазоне объектов из голограмм, записанных с использованием рассеивателя, вносящего пространственно-стохастическую фазовую задержку.
Теоретическая и практическая ценность
-
Предложенный метод расчета численного распространения ТГц волновых полей значительно снижает временные затраты, необходимые на обработку экспериментальных данных в импульсной ТГц голографии.
-
Внесенные поправки в уравнения, описывающие процесс распространения ТГц волновых полей через объекты и окружающие их диэлектрические среды, позволяющие учитывать в них дисперсию показателя преломления, расширяют класс задач, доступных для исследований методом импульсной ТГц голографии.
-
Разработанное программное обеспечение позволяет численно моделировать процесс формирования импульсных ТГц голограмм в условиях ограниченной апертуры детектора и восстанавливать из них полные изображения объекта.
Положения, выносимые на защиту
-
Метод восстановления изображения из цифровой импульсной терагерцовой голограммы, позволяющий учитывать дисперсию показателя преломления в объекте и окружающей его диэлектрической среде, использующий представление пространственных распределений спектральных компонент поля через угловой спектр плоских волн и свёртку поля с импульсным откликом системы.
-
Метод восстановления широкопольных амплитудно-фазовых изображений объекта из пространственно-ограниченных распределений спектральных компонент широкополосного терагерцового волнового поля в зоне
дифракции Френеля на основе алгоритма итерационного решения уравнений распространения волн.
-
С использованием разработанного итерационного метода продемонстрированы: преодоление предела пространственного разрешения изображения объекта, восстанавливаемого из цифровой импульсной терагерцовой голограммы на частотах 0,5-1,0 ТГц, и двукратное увеличение поля зрения спектрально-селективного пространственно-неоднородного объекта в среде с дисперсией показателя преломления, обусловленные самовосстановлением высоких пространственных частот при увеличении ширины поля зрения и апертуры.
-
Метод восстановления амплитудных изображений слабо рассеивающих объектов, обеспечивающий повышение угловой расходимости прошедшего или отраженного широкополосного импульсного терагерцового излучения путём внедрения в объектную плоскость диффузора, вносящего пространственно-стохастическую фазовую задержку.
Апробация работы: Результаты работы были представлены: на международной научной конференции OTST-2017: Optical Terahertz Science and Technology (Великобритания, Лондон, 2017), международной научной конференции EMN Meeting on Terahertz (Испания, Сан-Себастьян, 2016), Всероссийской молодежной Самарской конкурсе-конференции научных работ по оптике и лазерной физике (Самара, 2016; доклад отмечен дипломом III степени), V и VI международных научных конференциях по фотонике и информационной оптике (Москва, 2016 и 2017), научной сессии «От трансляционных исследований - к инновациям» (С. Петербург, 2015), конкурсе научно-технических работ и проектов "Молодёжь и будущее авиации и космонавтики" (Москва, 2015; работа отмечена грамотой), международном конгрессе SPIE/COS Photonics Asia (Китай, Пекин, 2014), XVII Международной школе для студентов и молодых ученых по оптике, лазерной физике и биофизике 2013 и симпозиуме по оптике и биофотонике 2014 в рамках конференции «Saratov Fall Meeting» (Саратов, 2013-2014), Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные вопросы исследований в авионике: теория, обслуживание, разработки» (АВИАТОР) (Воронеж, 2014; доклад отмечен дипломом I степени за высокий научный уровень). Публикации
По материалам диссертации опубликовано 19 публикаций, из которых 7 статей в журналах, индексируемых в базе цитирования Scopus, и в рецензируемых журналах из списка ВАК РФ, 7 свидетельств о регистрации программ ЭВМ и 5 публикаций в других изданиях.
Структура и объём диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и одного приложения. Общий объём диссертации - ПО страниц, включая библиографию из 147 наименований. Работа содержит 47 рисунков, размещённых внутри глав.