М.17.О. СИСТЕМА АВТОМАТИЗАЦИИ ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ ОБЪЕКТОВ В ТЕРАГЕРЦОВОМ ДИАПАЗОНЕ ЧАСТОТ
, , ,
Институт прикладной физики РАН, г. Н.Новгород, ул. ***, ,
*****@
За последние 10-20 лет были достигнуты значительные успехи в области генерации и детектирования сверхкоротких (на уровне длительности от одного до нескольких периодов) мощных терагерцовых импульсов оптическими методами. Разработанная техника позволила на порядки повысить отношение сигнал/шум в системах терагерцового радиовидения и разработать основы так называемой time domain спектроскопии [1], при которой измеряются и амплитудные и фазовые характеристики терагерцового излучения, прошедшего через исследуемое вещество. Это позволяет измерять как действительную, так и мнимую части диэлектрической проницаемости в широком частотном диапазоне, типичном для короткого импульса терагерцового излучения, и снимать спектральные «отпечатки» различных молекул, каждая из которых характеризуется своим типичным набором спектральных линий.
В материалах прошлогодней конференции была рассмотрена автоматизированная система для определения спектров в терагерцовом диапазоне частот при использовании фемтосекундных лазеров с относительно низкой (порядка нДж) энергией в импульсе [2]. В данной работе Вашему вниманию предлагается система автоматизации для построения изображений в терагерцовом диапазоне частот при использовании аналогичных лазеров.
Экспериментальная установка (таблица 1, рисунок 1) состоит из фемтосекундного лазера, управляемой компьютером линии задержки, электрооптического кристалла для генерации терагерцового излучения за счет оптического выпрямления лазерного излучения (пластинка телурита цинка толщиной 1 мм), системы параболических зеркал для коллимации и фокусировки терагерцового пучка, кристалла для электрооптического детектирования терагерцового излучения (пластинка ZnTe толщиной 1 мм) и акустооптического затвора для модуляции лазерного излучения. При помощи делительной пластики из выходного излучения фемтосекундного лазера формируется мощный генерирующий и слабый зондирующий оптические пучки. Измерение временной формы терагерцового импульса осуществляется изменением временной задержки между генерирующим и зондирующим оптическими пучками. Используется балансная схема детектирования, состоящая из четвертьволновой пластины, призмы Волластона и двух быстрых фотодиодов. Разностный сигнал с фотодиодов после усиления направляется в компьютер для дальнейшей обработки. Автоматизированная система для построения изображений объектов в терагерцовом диапазоне частот необходима в данном случае для организации управления линией задержки, синхронным усилителем и двухкоординатной подвижкой, на которой размещается объект исследования.
Таблица 1..
Лазерная система | Средняя мощность – 500 мВт, длительность импульса - 100 фс, центральная длина волны – 800 нм, частота следования импульсов – 70 МГц |
Параметры терагерцовых импульсов | Центральная частота – 0,75-1 ТГц, ширина спектра - 1-1,5 ТГц, напряженность электрического поля на поверхности приемника – 1,5 В/см, пиковая мощность – 510-5 Вт |
Коэффициент преобразования | 10-9 |
Отношение сигнал/шум | 103 |
Рис. 1 - Схема экспериментальной установки для генерации и регистрации дальнего ИК излучения с помощью фемтосекундных лазерных импульсов. Обозначения на схеме: СД – светоделитель; Г и П – соответственно генератор и приемник низкочастотного излучения: кристаллы ZnTe толщиной 1 мм и ориентацией <110>; Ф – фильтр из фторопласта ФТ-4; О – двухкоординатная подвижка с размещенным на ней образцом ; l/4 – фазовая пластинка; ПВ – призма Волластона.
Оборудование, используемое при создании системы автоматизации, включает:
- компьютер на базе процессора Intel Pentium IV;
- усилитель SR844 фирмы Stanford Research Systems, применяемый для измерения входного сигнала; обмен данными между усилителем и компьютером осуществляется через интерфейс RS-232 c помощью драйверов NI-VISA (3.1);
- подвижку серии 8MT-168 производства фирмы Standa, необходимую для изменения времени задержки пробного лазерного импульса относительно начала терагерцового излучения с целью последовательного от импульса к импульсу измерения амплитуды электрического поля;
- контроллер 8SMCC PCI1 этой же фирмы для управления шаговыми двигателями (библиотека функций LabVIEW для работы с контроллером поставляется фирмой производителем).
- двухкоординатную подвижку с блоком управления (разработка ИПФ РАН) для перемещения объекта в терагерцовом излучении, связь с компьютером осуществляется через параллельный порт.
Программное обеспечение автоматизированной системы разработано в среде LabVIEW (7.1) c использованием технологии виртуальных приборов National Instruments и состоит из следующих виртуальных инструментов:
- Измерение THZ импульса– управляющая программа системы;
- Инициализация SR844 – для настройки режимов работы синхронного усилителя SR844;
- Инициализация 8SMCC– для задания параметров управления перемещением зеркал, формирующих линию задержки;
- Поиск максимума – для фазировки измеряемого и опорного сигналов;
- Измерение сигнала - для управления положением зеркал линии задержки и измерения величины электрического поля THz импульса в каждом их положении;
- Управление – для управления двухкоординатной подвижкой и измерения сигнала с синхронного усилителя;
- Запись на диск - для сохранения результатов измерений;
- подпрограмма для построения и просмотра изображений.
В качестве примера, результат, полученный при сканировании тефлонового кольца, представлен на рисунке 3.
|
|
Рис. 2 - Изображение кольца из тефлона и его проекции в терагерцовом и оптическом диапазоне длин волн, соответственно. |
Интуитивно понятное меню позволяет физику-пользователю легко ориентироваться в системе при проведении экспериментов. Минимальный шаг при изменении длины линии задержки составляет 0, 125 мкм, при перемещении двухкоординатной подвижки по оси х-3,4 мкм по оси у- 1,5 мкм. Усилитель SR844 фирмы Stanford Research Systems позволяет проводить измерения сигнала в диапазоне от 25 кГц до 200 МГц. Время проведения единичного эксперимента зависит от выбранных шагов и количества точек по соответствующим осям (максимальное перемещение по оси х – 25мм, по оси у – 20мм и составляет, например, при сканировании образца 20x20(мм) с шагом 0,5мм по обеим осям ~ 20 мин. Данные о положении объекта передаются в программу через параллельный порт с помощью виртуального инструмента Parallel Port Read and Write Loop. vi. Для вывода трехмерных изображений и их проекций используется стандартная подпрограмма 3D Surface. vi. Пространственное разрешение при построении двумерных изображений определяется шириной перетяжки терагерцового пучка. Для ее измерения мы сканировали экран (knife-edge) в фокальной плоскости при фиксированной задержке между импульсом накачки и пробным импульсом (соответствующей максимальному сигналу на синхронном усилителе). В предположении о гауссовом характере распределения терагерцового поля соответствующая ширина перетяжки оказалась равной около 1 мм. Для построения изображений образцы помещаются непосредственно на двухкоординатной подвижке, управляемой от компьютера. Изображение строится по величине проходящего терагерцового излучения при сканировании образца в фокальной плоскости терагерцового пучка при фиксированной временной задержке между генерирующим и зондирующим лазерными пучками.
Преимущества технологий National Instruments
Применение среды LabVIEW c использованием технология виртуальных приборов фирмы National Instruments позволило сократить время разработки программного обеспечения системы автоматизации для построения изображений объектов в терагерцовом диапазоне частот за счет наличия драйверов последовательного и параллельного портов, библиотеки функций для работы в среде LabVIEW, поставляемой фирмой-производителем вместе c оборудованием, подпрограмм для работы с трехмерной графикой.
Принцип модульности дал возможность без особых проблем модифицировать первую версию автоматизированной системы [2] и позволит в дальнейшем легко расширить разработанную систему автоматизации для решения более сложных задач.
Литература
1. T. J. Carrig, G. Rodriguez, T. Sharp Clement, A. J. Taylor, and K. R. Stewart, “Scaling of terahertz radiation via optical rectification in electro-optic crystals,” Appl. Phys. Lett. 66, 121-
2. , , Шишкин система определения спектров в терагерцовом диапазоне частот. Сборник трудов Международной научно-практической конференции “Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments”, Москва, 2005, стр.193-195.
