главная   оптика   волоконная оптика   спектроскопия   лазеры   лазерные системы
 
   
Главная / Спектроскопия / Области применения спектроскопии / Детектирование опасных веществ / Поглощательная спектроскопия на терагерцевых волнах
 
 
Оптика
Волоконная оптика
Спектроскопия /
  История спектроскопии
  Спектральные диапазоны электромагнитного излучения
  Колебательная спектроскопия
  Спектроскопические приборы и методики
  Фурье-спектроскопия
  Лазерная спектроскопия
  Области применения спектроскопии
  Спектроскопия атмосферы
  Детектирование опасных веществ
Лазеры
Лазерные системы
Телекоммуникации и связь
 
Выставки и конференции
Новости науки и лазерной техники
 
О проекте
Ссылки

 

Поглощательная спектроскопия на терагерцевых волнах

Привлекательной является возможность регистрировать ИВ на расстоянии. Попытка зарегистрировать на расстоянии ИВ в твердом состоянии реализована в методе терагерцового просвечивания.

Группа ученых из японского института физико-химических исследований RIKEN продемонстрировала в работе систему, позволяющую выявить наличие запрещенных препаратов в запечатанном конверте, не вскрывая его. В системе используется настраиваемый источник терагерцового излучения, к освоению которого современная наука приступила совсем недавно.
 
Эксперименты показали, что новая система смогла успешно выявить наличие в запечатанном конверте целого ряда веществ, включая экстази и метамфетамин. Эти возможности позволяют на основе нового изобретения создать систему контроля почтовой корреспонденции в почтовых офисах и в аэропортах.
Терагерцовым излучением принято называть электромагнитное излучение с частотами 1011-1012 Гц. Спектроскопия в терагерцовом диапазоне интересна тем, что в нем лежат линии поглощения как простых, так и сложных молекул, соответствующие вращательным колебаниям молекулы, межмолекулярному взаимодействию и колебаниям молекулярных комплексов, образующихся в результате межмолекулярного взаимодействия за счет ван-дер-ваальсовых и водородных связей. Спектры сложных биологических молекул в этом диапазоне содержат линии, соответствующие вращательным, так называемым торсионным колебаниям, дальнодействующим взаимодействиям (без связей) между функциональными группами молекулы, а также взаимодействиям между атомными группами, связанными через слабые водородную и ван-дер-ваальсову связи. При этом положение и форма линий, их интенсивность сильно зависят от конформации молекулы, от внешней среды, в которой она находится.
Для спектроскопии в терагерцовом диапазоне в настоящее время широко применяются следующие методы:
  • терагерцовой спектроскопии;
  • фурье-спектроскопии;
  • спектроскопия комбинационного рассеяния;
  • спектроскопия на лампах обратной волны.
В фурье-спектроскопии для работы в дальнем ИК в качестве источника излучения используется ртутная лампа. После прохождения излучения через интерферометр Майкельсона, на выходе прибора формируется интерференционная картина. При этом, каждой длине волны соответствует определенная интерференционная кривая, получаемая в интерферометре при перемещении подвижного зеркала. Фурье-анализ позволяет преобразовать интерферограмму в спектр, то есть представить сигнал как функцию частоты. Рабочий диапазон - от 40 см-1 до тысяч обратных сантиметров.
Спектроскопия комбинационного рассеяния осуществляется в очень широком спектральном диапазоне. КР спектроскопия на частотах ниже ста обратных сантиметров имеет ряд особенностей, которые ограничивают спектральный диапазон в низкочастотной области. В терагерцовом диапазоне спектры КР имеют сильный фон, на котором видны относительно слабые линии. Фон представляет собой крыло линии Релея, который тем больше и шире, чем больше и тяжелее молекулы исследуемого вещества. Фон обусловлен свойствами вещества и может меняться для одного и того же вещества, в связи с этим спектры КР не обладают абсолютной повторяемостью.
В лампе обратной волны (ЛОВ) или, как её еще называют, лампе обратного хода (ЛОХ), генерация непрерывного излучения происходит при длительном взаимодействии пучка электронов с электромагнитной волной. Электромагнитная волна, распространяющаяся навстречу пучку, модулирует и группирует электроны. Образующиеся сгустки электронов при своём движении наводят электромагнитное поле в замедляющей системе и отдают ему свою энергию. В качестве детекторов применяют оптико-акустические преобразователи, действие которых основано на воздействии на мембрану переменного давления газа при поглощении им модулированного излучения, полупроводниковыми фоторезисторами, либо полупроводниковыми или сверхпроводящими болометрами. С помощью ЛОВ получают непрерывное излучение в диапазоне примерно от 2 см-1 до 50 см-1, при этом для перекрытия всего этого диапазона требуется порядка 10 ламп, каждая из которых работает в своём относительно узком спектральном диапазоне с разрешением порядка 10-8 см-1.
Сравнительно недавно появился совершенно новый метод исследования спектров в дальнем ИК диапазоне - метод импульсной терагерцовой спектроскопии. В импульсной терагерцовой спектроскопии в основном для генерации терагерцового излучения используются дипольные антенны и нелинейные кристаллы на эффекте оптического выпрямления, которые обеспечивают когерентное широкополосное излучение в диапазоне от 3 см-1 до 100 см-1. Для когерентного детектирования чаще всего используют дипольные антенны и нелинейные кристаллы на электрооптическом эффекте. Особенностью терагерцовой спектроскопии по сравнению другими методами спектроскопии в дальнем ИК диапазоне является то, что при измерениях непосредственно прописывается зависимость поля Е от времени, что позволяет осуществлять время-разрешенную спектроскопию.
В основе созданного терагерцового спектрометра лежит принцип когерентного детектирования импульсов терагерцового излучения. Для генерации и детектирования терагерцовых импульсов используется импульсное лазерное излучение с длительностью импульса порядка 100 фс. Обычно используется лазер на кристалле титаната сапфира, генерирующего излучение в диапазоне 750-850 нм. Для генерации терагерцового излучения используются полупроводниковые кристаллы GaAs, InP и другие, а также нелинейные кристаллы ZnTe, LiNbO3 и др. Детектирование терагерцового излучения происходит в нелинейном кристалле. В основе принципа детектирования терагерцового излучения лежит линейный электрооптический эффект, или эффект Поккельса.
В последнее время все более популярными становятся фемтосекундные волоконные лазеры, работающие на длине волны 1,55 и 1,06 мкм. Эти лазеры имеют существенно меньшие размеры по сравнению с лазерной системой на базе титаната сапфира, при этом эти лазеры не уступают по мощности и по качеству спектра генерируемого лазерного излучения. Для этого диапазона длин волн были разработаны генераторы терагерцового излучения на базе полупроводника InGaAs. При этом детектирование терагерцового излучения осуществляется в нелинейном кристалле GaP.
Нами было разработано и создано два терагерцовых спектрометра. Первый спектрометр был создан на базе фемтосекундного лазера на титанате сапфира (длина волны 0,7-0,85 мкм), второй - на базе фемтосекундного иттербиевого волоконного лазера (длина волны 1,064 мкм). Первый спектрометр имеет возможность изменения геометрии эксперимента: имеется возможность измерения как спектров пропускания, так и спектров отражения образцов. Второй спектрометр имеет существенно меньшие геометрические размеры чем первый и является мобильным спектрометром.
 
По словам руководителя группы ученых Кодо Кавазе (Kodo Kawase), поиски средств, позволяющих проверять содержимое конверта на наличие запрещенных веществ, не нарушая при этом права на тайну переписки, велись уже давно, но только теперь это стало возможным - чернила прозрачны для терагерцового излучения, однако прибор позволяет "увидеть" запрещенные препараты внутри конверта.

"Сердцем" разработанной в Японии системы является компактный и настраиваемый оптический параметрический осциллятор на основе нелинейного кристалла (MgO:LiNbO3), накачка которого осуществляется Nd:YAG-лазером в режиме модулирования добротности. Осциллятор может излучать терагерцовые волны в диапазоне 1-2,5 ТГц. Проходящее сквозь конверт излучение регистрируется пироэлектрическим болометром и анализируется компьютером.

В проведенных экспериментах система правильно диагностировала содержимое трех небольших (10х10 мм) полиэтиленовых мешочков, в которых находились экстази, матамфетамин и аспирин (в каждом было всего лишь по 20 мг препарата). Мешочки были размещены в обычных конвертах для авиапочты. Предел чувствительности системы - около 3 мг/кв. см.

У новой системы есть и недостатки. Самый существенный из них - большая длительность измерений, достигающая десяти минут на один конверт. Ученые полагают, что уже на современном уровне развития технологии ее можно будет сократить в несколько раз.
 
 
Кафедра Лазерной техники БГТУ 'Военмех'

Онлайн-конвертер

 
         
 
  разработка сайта NINSIS   190005, Санкт-Петербург, ул. 1-я Красноармейская, д. 1
тел/факс: +7 (812) 316-49-09
www.laser-portal.ru