CC BY
5SoVbTv™ ФИЗИКА В БИОЛОГИИ, МЕДИЦИНЕ, СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ И ЭКОЛОГИИ
Исследование режимов работы терагерцового микроскопа на основе эффекта твердотельной иммерсии
Желнов В.А.
Федеральный исследовательский центр «Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук», Москва Е-mail: vleder. zel@mail. ru
DOI: 10.24412/cl-35673-2022-1-122-124
На протяжении последних десятилетий терагерцовый (ТГц) диапазон электромагнитного излучения активно применялся для проведения исследований специалистами в различных областях науки и техники. Так, например, ТГц визуализация и спектроскопия нашла применение в биофотонике и медицинской диагностике [1-3], неразрушающем контроле композитных материалов и керамики [4, 5]. Однако до сих пор остаётся актуальной проблема относительно низкого пространственного разрешения традиционных ТГц фокусирующих элементов из-за большой длины волны ТГц излучения. Она имеет особое значение в некоторых областях применения ТГц техники, таких как медицинская диагностика, так как размеры некоторых структурных элементов биологических тканей существенно меньше длины волны ТГц излучения [1].
Решением этой проблемы является разработка ТГц изображающей системы на основе эффекта твердотельной иммерсии, который заключается в уменьшении размеров каустики пучка в случае, когда он фокусируется на малом расстоянии позади среды с высоким показателем преломления [6]. Однако для практической реализации данного метода важно знать характер зависимости пространственного разрешения от оптических свойств исследуемого объекта.
Оптические свойства исследуемого объекта (показатель преломления nobj и коэффициент поглощения aobj) влияют на пространственное разрешение ТГц системы на основе эффекта твердотельной иммерсии. Для теоретического исследования зависимости разрешения от оптических свойств объекта используются данные, полученные при помощи численных методов конечных разностей во временной области (FDTD - Finite Differences
ШКОЛА-КОНФЕРЕНЦИЯ МОЛОДЫХ УЧЁНЫХ
-------------1Е НЕДЕЛИ»
18-20 октября 2022 г.
in Time Domain) [7] и конечных элементов в частотной области (FEFD - Finite Elements in Frequency Domain) [8]. Для экспериментального подтверждения численных результатов использовался набор тестовых объектов со ступенчатым профилем коэффициента отражения, изготовленных их различных ТГц оптических материалов с априорно известными оптическими свойствами. Эксперименты проводились на экспериментальном макете ТГц микроскопа на основе эффекта твердотельной иммерсии [6, 9].
На рис. 1 продемонстрирована экспериментальная оценка пространственного разрешения как функции показателя преломления образца nobj. Также здесь показаны численными данные 2D-FDTD моделирования и результаты численного анализа ТГц изображающей системы, выполненного с использованием квази-SD метода FEFD в программном обеспечении COMSOL Multiphysics. Численные данные даны в точках, соответствующих оптическим свойствам тестовых образцов.
7 0 о т 3 |-г—'
1]/ ^ у
/ 1 ' ___—'
» Экс. » 3D-FEFD, ±Е * Ист. [18,19] о 3D-FEFD. [[Е * 2D-FDTD
2.5
Рис. 1. Сравнение экспериментально оцененного (красные кружки) и численно предсказанного (с использованием 2D-FDTD и квази-3D-FEFD - зеленые квадраты и оранжевая область, соответственно) пространственного разрешения 5 ТГц микроскопа на основе эффекта твердотельной иммерсии.
Можно
заметить
хорошее
соответствие
между
^лодыГучЁньк физика в биологии, медицине, сельском хозяйстве и экологии
А «прохоровские НЕДЕЛИ»
экспериментальными и численными данными, а именно, оба показывают сильно субволновое разрешение ТГц микроскопа за пределами дифракционного предела Аббе в свободном пространстве. Экспериментально измеренное разрешение находится в диапазоне 8~ 0.15-0.4 для всех измеренных образцов, которые представляют различные режимы работы ТГц изображающей системы: режим полного внутреннего отражения 1.0 < nobj < 2.2 и обыкновенный режим отражения (nobj > 2.2), в котором также можно выделить ещё два режима - отрицательный (2.2 < nobj < nSi) и положительный (nSi < nobj) диэлектрический контраст [9].
Автор выражает благодарность научному руководителю, к.ф.-м.н. Черномырдину Н.В. и к.ф.-м.н. Зайцеву К.И. за постановку научной задачи, помощь в моделированиях и экспериментальных изменениях, а также обсуждение результатов.
1. Smolyanskaya O.A. et al. Prog. Quantum Electron., 2018, 62, 1-77.
2. Zaytsev K.I. et al. J. Opt., 2020, 22(1), 013001.
3. Gavdush A.A. et al. J. Biomed. Opt., 2019, 24(2), 027001
4. Stoik C D., Bohn M.J., Blackshire J.L. Opt. Express, 2008, 16(21), 17039-17051.
5. Lopato P. Appl. Sci., 2017, 7(7), 661.
6. Chernomyrdin N. V. et al. Appl. Phys. Lett., 2018, 113(11), 111102.
7. Schneider J. Understanding the Finite-Difference Time-Domain Method, Artech House antennas Propag. Libr., 2005.
8. Stamnes K. et al. Appl. Opt., 1988, 27(12). 2502.
9. Zhelnov V.A. et al. Opt. Express, 2021, 29(3), 3553-3566.
