CC BY
57
УДК 681.7 Д.Г. Макарова СГГА, Новосибирск
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ТЕРАГЕРЦОВОГО ДИАПАЗОНА СПЕКТРА
В статье рассмотрены основные параметры и предельные значения оптических систем терагерцового диапазона спектра на основе существующих источников и приёмников этого излучения.
D.G. Makarova
Siberian State Academy of Geodesy (SSGA)
10 Plakhotnogo Ul., Novosibirsk, 630108, Russian Federation
CHARACTERIZATION OF TERAHERTZ WAVE OPTICAL SYSTEMS
In the article are considering the main characteristics and maximum values of terahertz wave optical systems on basis of existents emitters and receivers of this emission.
Терагерцовое излучение — вид электромагнитного излучения, спектр частот которого расположен между инфракрасным и сверхвысокочастотным
11 13
диапазонами. Максимально допустимый диапазон ТГц частот 10 —10 Гц, диапазон длин волн 3—0,03 мм соответственно. ТГц излучение — не ионизирующее, легко проходит сквозь большинство диэлектриков, но сильно поглощается проводящими материалами и некоторыми диэлектриками. Например, дерево, пластик, керамика для него «прозрачны», а металл и вода — нет. Существующие в настоящее время приборы для работы в данном диапазоне спектра не обеспечивают требуемое качество изображения, поэтому представляется актуальным исследование и разработка оптических систем по своим параметрам более совместимыми с существующими источниками и приемниками терагерцового излучения.
Рассматриваемые приборы, работающие в терагерцовом диапазоне спектра, относятся к приборам активного типа, поэтому при анализе оптической системы следует учитывать параметры искусственного источника излучения для подсветки объекта.
В работе [1] дан краткий обзор источников терагерцового излучения, которые можно разделить на три основных типа по генерации излучения: синхротрон, источник Смита-Парсела, лазеры на свободных электронах. К наиболее мощным источникам терагерцового излучения относятся лазеры на свободных электронах. Среди них - лазер на свободных электронах Джефферсоновской лаборатории (JLab FEL), Стэнфордского университета
(Stanford), FOM-института в Нидерладндах (FELIX), Новосибирский ЛСЭ (NFEL). В табл. 1 представлены характеристики источников излучения в терагерцовом и соседних диапазонах спектра.
Таблица 1. Основные характеристики источников излучения
Параметры/ фирма Stanford UCSB FELIX NFEL
ДХ (мкм), рабочий спектральный диапазон 15-80 63-340 340-2500 3-250 40-117, 120-235
V , ТГц 3.75-20 0.88-4.8 0.12-0.88 1.2-100 -
Длительность импульса 2-10 пс - - 6-100 циклов 40 -100 пс
Частота повторения, МГц 11.8 - - 1000, 50, 25 2,8 - ll,2
Максимальная средняя мощность < 500 кВт < 6 кВт < 15 кВт < 10 МВт (@20мкм); < l МВт(@100 мкм) 0,4 кВт (@ 11,2МГц)
Диаметр гауссова пучка на выходе, мм 0.5 - - - 80
Угол расходимости излучения, град ~1 ~1 ~1 ~1 ~1
При рассмотрении приемников (детекторов) терагерцового излучения их можно разделить на три группы [2]: детекторы теплового типа, детекторы, основанные на эффекте фотопроводимости, детекторы, основанные на диодах Шоттки. В табл. 2 представлены сравнительные параметры различных детекторов терагерцового диапазона спектра.
Таблица 2. Основные параметры детекторов
Тип / параметр детектора NEP, Вт • Гц-1/2 fmax> ГЦ Размер приемного элемента, мм2
Детекторы теплового типа
1. термопары, термодатчики, калориметры - 25 1.5x3
2. пироэлектрические детекторы 6 l0-lG 200 1x1
3. охлаждаемые и сверхпроводящие болометры l0-lG 25 -
4. микроболометры 2 l0-lG 25 1±0,1x 1±0,1
5. охлаждаемые и сверхпроводящие болометры 3 l0-15 200 2x2
Детекторы с эотонного типа
Детекторы на основе фотопроводимости -0 і -0 10 - 30 0,1x0,1
Детекторы на основе диодов Шоттки lO-12 90 1x1
Основными параметрами оптической системы являются: рабочий
спектральный диапазон, фокусное расстояние, угол поля зрения, относительное отверстие.
Рабочий спектральный диапазон (АХ) - определяется диапазоном спектра источника излучения. Согласно табл. 1 разные типы лазеров работают в разных диапазонах спектра - от 3 мкм до 2500 мкм. Каждый из лазеров излучает в своем интервале длин волн от 65 мкм до 280 мкм, за исключением одного из режимов лазера ИСББ. Это позволяет сделать вывод, что АХ оптических систем, в основном, не будет превышать 220 мкм.
Фокусное расстояние (/’) - определяется пространственным разрешением прибора и размером приемного элемента (пикселя) детектора излучения. Пространственное разрешение определяется элементом разрешения объекта, а размеры пикселя детекторов приведены в табл. 2.
Относительное отверстие оптической системы ’) - отношение
диаметра входного зрачка ^) к фокусному расстоянию. Диаметр входного зрачка определяется энергетическим расчетом для обеспечения дальности действия прибора. Однако отношение Dlf ’, ограничивается дифракционной теорией и не может превышать значения 1:0,5. Диафрагменное число (^’/П) -обратная величина относительного отверстия определяется выражением:
Лу'
= 1Ш'
где Ау ’ - размер пикселя детектора в мкм;
Х - длина волны излучения в мкм.
Зная Х источника излучения и размер пикселя детектора можно определить предельное значение f ’/D для разного типа детекторов в зависимости от длины волны излучения (Х).
Таблица 3. Предельные значения f'/D для разных типов детекторов
Stanford
Тип детектора л ' 2 Лу, мм X, мкм
15 30 45 60 80
Пироэлектрические детекторы 1x1 55 27 18 13 10
Детекторы на основе фотопроводимости 0,1x0,1 5,5 2,7 1,8 1,3 l
UCSB
Тип детектора Лу, мм X, мкм
63 130 200 270 340
Пироэлектрические детекторы 1x1 13 6 4 3 2
Детекторы на основе фотопроводимости 0,1x0,1 1,3 0,6 0,4 0,3 0,2
FELIX
Тип детектора Лу, мм X, мкм
3 125 190 250 -
Пироэлектрические детекторы 1x1 273 6 4 3 -
Детекторы на основе фотопроводимости 0,1x0,1 27 0,6 0,4 0,3 -
NFEL
Тип детектора Лу, мм2 X, мкм
40 117 120 235 -
Пироэлектрические детекторы 1x1 20 7 6,9 3 -
Детекторы на основе фотопроводимости 0,1х0,1 2 0,7 0,69 0,3 -
На рис. 1 представлена зависимость /'Ю оптической системы от длин волны и размера пикселя приёмника терагерцового диапазона спектра.
г/в гт
О Ю 40 60 50 100 130 НО 160 180 200 220 ПОЛЮ 280 300 . МКМ О Ю « СО 80 100 ЦО НО |<Ю ВО 300 230 240 ЛВ ^80 300 , МКМ
а б
а - пироэлектрические детекторы;
б - детекторы на основе фотопроводимости.
Рис. 1. Зависимость/'Ю оптической системы от длины волны и размера пикселя приёмника терагерцового диапазона спектра
Из рис. 1 видно, что диафрагменное число оптических систем с пироэлектрическими детекторами не превышает дифракционного предела до 240 -340 мкм, а диафрагменное число оптических систем с детекторами на основе фотопроводимости за пределами 120 - 180 мкм превышает дифракционный предел.
Угол поля зрения (2ю) оптической системы в приборах активного типа в значительной мере определяется углом расходимости излучения лазеров. К сожалению, в открытой печати этот параметр не приводится, но зная тип источников излучения можно предположить, что он не превышает нескольких градусов.
На основании выше изложенного можно сделать некоторые выводы:
- Рабочий спектральный диапазон для оптической системы не будет превышать 220 мкм;
- Фокусное расстояние оптической системы определяет пространственное разрешение и может принимать любое значение;
- Оптические системы с пироэлектрическими детекторами имеют диафрагменное число, не превышающее дифракционный предел в более дальней области спектра до 240 - 340 мкм;
- Для увеличения угла поля зрения оптической системы на источники излучения необходимо устанавливать оптику, увеличивающую угол расходимости излучения.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Князев, Б.А. Источники терагерцового излучения на электронных пучках и эксперименты с их применением (обзор) [Текст] / Б.А. Князев // Первое рабочее совещание «Генерация и применение терагерцового излучения» 24-25 ноября 2005 года: сб. трудов; ИЯФ им.Г.И. Будкера СО РАН, ИХКиГ СО РАН. - Новосибирск, 2006. - С. 26-31.
2. Кубарев, В.В. Детекторы терагерцового излучения (обзор) [Текст] / В.В.Кубарев // Первое рабочее совещание «Генерация и применение терагерцового излучения» 24-25 ноября 2005 года: сб. трудов; ИЯФ им.Г.И. Будкера СО РАН, ИХКиГ СО РАН. - Новосибирск, 2006. - С. 35-39.
3. Аксененко, М.Д., Приемники оптического излучения [Текст]: справочник / М.Д. Аксененко, М.Л. Бараночников. - М.: Радио и связь, 1987. -296с.
© Д.Г. Макарова, 2011
