Высокоточное восстановление спектральных оптических характеристик среды с помощью импульсной терагерцовой спектроскопии

Рассмотрена актуальная проблема решения некорректной обратной задачи, связанной с восстановлением терагерцовых спектральных оптических характеристик образца на основе результатов его исследования с помощью терагерцовой импульсной спектроскопии. Разработан алгоритм восстановления спектрального комплексного показателя преломления однородного образца в виде плоскопараллельной пластинки. Алгоритм имеет преимущества перед существующими методами решения данной задачи, в частности, он позволяет исследовать образцы с низким показателем преломления и (или) малой толщиной, а также существенно снижает требования к точности априорного измерения толщины среды. За счет наличия в алгоритме процедуры программного уточнения толщины алгоритм позволяет корректно восстанавливать оптические характеристики образца при точности измерения его толщины не менее ±100,0 мкм, что более чем на порядок смягчает требования классических методов решения данной задачи. Восстановление терагерцовых спектральных характеристик образца выполнено путем минимизации функционала ошибки, построенного на основе экспериментально зарегистрированного комплексного амплитудного коэффициента пропускания и комплексного амплитудного коэффициента пропускания математической модели, описывающей образец в виде квазирезонатора Фабри-Перо. Разработанный метод реализован программно; проведена его экспериментальная апробация.

Литература

[1] Lee Y.-S. Principles of terahertz science and technology. NY: Springer, 2009.

[2] Brundermann E., Hubers H.-W., Kimmitt M.F. Terahertz techniques. NY.: Springer, 2009.

[3] Mittleman D.M., Nuss M.C., Colvin V.L. Terahertz spectroscopy of water in inverse micelles // Chem. Phys. Lett. 1997. Vol. 275. No. 3-4. P. 332-338. DOI: 10.1016/S0009-2614(97)00760-4.

[4] Nazarov M.M., Shkurinov A.P., Kuleshov E.A., Tuchin V.V. Terahertz time-domain spectroscopy of biological tissues // Quantum Electron. 2008. Vol. 38. No. 7. P. 647654. D0I:10.1070/QE2008v038n07ABEH013851.

[5] Yurchenko S.O., Kryuchkov N.P. The structure and spectral properties of twodimensional dipole systems // Journal of Physics: Conference Series. 2014. Vol. 486: 012031. D0I:10.1088/1742-6596/486/1/012031.

[6] Bunkin N.F., Suyazov N.V., Shkirin A.V., Yurchenko S.O. Structure of the nanobubble clusters of dissolved air in liquid media // Journal of Biological Physics. 2012. Vol. 38. No. 1. P. 121-152. DOI: 10.1007/s10867-011-9242-8.

[7] Aliev I.N., Yurchenko S.O. Evolution of perturbations of a charged interface between immiscible inviscid fluids in the interelectrode gap // Fluid Dynamics. 2010. Vol. 45. No. 5. P. 817-826. D0I:10.1134/S0015462810050145.

[8] Finkel M.I., Maslennikov S.N., Gol’tsman G.N. The concept of the receiving complex for the "millimetron" space radio telescope // Radiophysics and Quantum Electronics. 2007. Vol. 50. No. 10-11. P. 837-846. D0I:10.1007/s11141-007-0075-z.

[9] Murrill S.R., Franck C.C., Espinola R.L., Petkie D.T., De Lucia F.C., Jacobs E.L. Enhanced terahertz imaging system performance analysis and design tool for concealed weapon identification // Proceedings of SPIE Homepage. 2011. Vol. 8188. Article id. 81880J. P. 1-15. D0I:10.1117/12.898371.

[10] Stoik C.D., Bohn M.J., Blackshire J.L. Nondestructive evaluation of aircraft composites using transmissive terahertz time domain spectroscopy // 0ptics Express. 2008. Vol. 16. No. 21. P. 17039-17051. D0I:10.1364/0E.16.017039.

[11] Karpowicz N., Dawes D., Perry M.J., Zhang X.-C. Fire damage on carbon fiber materials characterization by THz waves // Proceedings of SPIE Homepage. 2006. Vol. 6212. Article id. 81880J. P. 1-17. D0I:10.1117/12.665852.

[12] Yakovlev E.V., Zaytsev K.I., Fokina I.N., Karasik V.E., Yurchenko S.O. Nondestructive testing of polymer composite materials using THz radiation // Journal of Physics: Conference Series. 2014. Vol. 486: 012008. D0I:10.1088/1742-6596/486/1/012008.

[13] Wallace V.P., Woodward R.M., Fitzgerald A.J., Pickwell E., Pye R.J., Arnone D.D. Terahertz pulsed imaging of cancers // Proceedings of SPIE. 2003. Vol. 4949. P. 353359. D0I:10.1117/12.500121.

[14] Zaytsev K.I., Kudrin K.G., Koroleva S.A., Fokina I.N., Volodarskaya S.I., Novitskaya E.V., Perov A.N., Karasik V.E., Yurchenko S.O. Medical diagnostics using terahertz pulsed spectroscopy//Journal of Physics: Conference Series. 2014. Vol. 486: 012014. D0I:10.1088/1742-6596/486/1/012014.

[15] Fitzgerald A.J., Wallace V.P., Jimenez-Linan M., Bobrow L., Pye R.J., Purushotham A.D., Arnone D.D. Terahertz pulsed imaging of human breast tumors // Radiology. 2006. Vol. 239. No. 2. P. 533-540. DOI:10.1148/radiol.2392041315.

[16] Ashworth P.C., Pickwell-MacPherson E., Provenzano E., Pinder S.E., Purushotham A.D., Pepper M., Wallace V.P. Terahertz pulsed spectroscopy of freshly excised human breast cancer // Optics Express. 2009. Vol. 17. No. 15. P. 1244412454. DOI:10.1364/OE.17.012444.

[17] Reid C. Spectroscopic methods for medical diagnosis at terahertz wavelength. Ph.D. Thesis. University College London. 2009. 194 p.

[18] Arbab M.H., Dickey T.C., Winebrenner D.P., Chen A., Klein M.B., Mourad P.D. Terahertz reflectometry of burn wounds in a rat model // Biomedical optics express. 2011. Vol. 2. No. 8. P. 2339-2347. DOI:10.1364/BOE.2.002339.

[19] Pickwell E., Wallace VP., Cole B.E., Ali S., Longbottom C., Lynch R.J.M., Pepper M. A comparison of terahertz pulsed imaging with transmission microradiography for depth measurement of enamel demineralization in vitro // Caries Research. 2007. Vol. 41. No. 1. P. 49-55. DOI:10.1159/000096105.

[20] Володарская С.И., Зайцев К.И., Карасик В.Е., Новицкая Е.В., Фокина И.Н. Экспериментальное обоснование возможности ранней диагностики кариозного поражения эмали зуба с помощью терагерцовой спектроскопии // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Приборостроение. 2013. № 2. С. 33-47.

[21] Younus A., Caumes J.-P., Salort S., Chassagne B., Pradere C., Dautant A., Ziegle A., Abraham E. Continuous millimeter-wave imaging scanner for art conservation science // Advances in Optical Technologies. 2011. Article ID 275682. P. 1-9. DOI:10.1155/2011/275682.

[22] Rubens H., Nichols E.F. Heat rays of great wave length // APS JOURNALS ARCHIVE. Phys. Rev. Series I.4.314. 1897. Vol. 4. No. 4. P. 314-323. DOI:10.1103/PhysRevSeriesI.4.314.

[23] Glagolyeva-Arkadyeva A. Short electromagnetic waves of wave-length up to 82 microns //Nature. 1924. Vol. 113. Iss. 2844. 640 G. DOI:10.1038/113640a0.

[24] Ryzhii V., Otsuji T., Ryzhii M., Leiman V.G., Yurchenko S.O. Effect of plasma resonances on dynamic characteristics of double grapheme-layer optical modulator //J. Appl. Phys. 2012. Vol. 112. Iss. 10. P. 104507. DOI:10.1063/1.4766814.

[25] Ryzhii V., Otsuji T., Ryzhii M., Ryabova N., Yurchenko S.O., Mitin V., Shur M.S. Graphene terahertz uncooled bolometer // J. Phys. D: Appl. Phys. 2013. Vol. 46. No. 6: 065102. DOI:10.1088/0022-3727/46/6/065102.

[26] Ryzhii V., Otsuji T., Ryzhii M., Leiman V.G., Yurchenko S.O. Hydrodynamic model for electron-hole plasma in grapheme // J. Appl. Phys. 2012. Vol. 111. No. 8: 083715. DOI: 10.1063/1.4705382.

[27] Auston D.H. Picosecond Optoelectronic Switching and Gating in Silicon // Applied Physics Letters. 1975. Vol. 26. No. 3. P. 101-103. DOI: 10.1063/1.88079.

[28] Zaytsev K.I., Fokinal.N., Fedorov A.K., Yurchenko S.O. Sensing of phase transition in medium with terahertz pulsed spectroscopy // Journal of Physics: Conference Series. 2014. Vol. 486: 012024. DOI:10.1088/1742-6596/486/1/012024.

[29] Zaytsev K.I., Gavdush A.A., Lebedev S.P., Yurchenko S.O. Novel algorithm for Sample material parameter determination using THz time-domain spectrometer signal processing // Journal of Physics: Conference Series. 2014. Vol. 486: 012018. DOI:10.1088/1742-6596/486/1/012018.

[30] Zaytsev K.I., Karasik V.E., Fokina I.N., Alekhnovich V.I. Invariant embedding technique for medium permittivity profile reconstruction using terahertz time-domain spectroscopy // Optical Engineering. 2013. Vol. 52. No. 6: 068203. DOI:10.1117/1.OE.52.6.068203.

[31] Алехнович В.И., Зайцев К.И., Карасик В.Е. Восстановление профиля диэлектрической проницаемости среды с помощью терагерцовой спектроскопии // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки. 2013. № 2. С. 50-66.

[32] Zaytsev K.I., Chernomyrdin N.V., Alekhnovich V.I. Novel technique for medium permittivity profile reconstruction using THz pulsed spectroscopy // Journal of Physics: Conference Series. 2014. Vol. 486: 012010. DOI:10.1088/1742-6596/486/1/012010.

[33] Grischkowsky D., Keiding S., Vanexter M. Far-infrared time-domain spectroscopy with terahertz beams of dielectrics and semiconductors // J. Opt. Soc. Am. B. 1990. Vol. 7. No. 10. P. 2006-2015. D0I:10.1364/J0SAB.7.002006.

[34] Duvillaret L., Garet F., Coutaz J.-L. Highly precise determination of optical constants and sample thickness in terahertz time-domain spectroscopy // Appl. Opt. 1999. Vol. 38. No. 2. P. 409-415. D0I:10.1364/A0.38.000409.

[35] Dorney T., Baraniuk R., Mittleman D. Material parameter estimation with terahertz time-domain spectroscopy // J. Opt. Soc. Am. A. 2001. Vol. 18. No. 7. P. 1562-1571. DOI: 10.1364/JOSAA.18.001562.

[36] Pupeza I., Wilk R., Koch M. Highly accurate optical material parameter determination with THz time-domain spectroscopy // Optics Express. 2007. Vol. 15. No. 7. P. 43354350. DOI:10.1364/OE.15.004335.

[37] Wilmink J., Ibey B., Tongue T., Schulkin B., Laman N., Peralta X., Roth C., Cerna C., Rivest B., Grundt J., Roach W. Development of a compact terahertz time-domain spectrometer for the measurement of the optical properties of biological tissues // Journal of Biomedical Optics. 2011. Vol. 16. No. 4: 047006. DOI:10.1117/1.3570648.

[38] Redo-Sanchez A., Salvatella G., Galceran R., Roldos E., Garcia-Reguero J.-A., Castellari M., Tejada /.Assessment of terahertz spectroscopy to detect antibiotic residues in food and feed matrices // Analyst. 2011. Vol. 136. No. 8. P. 1733-1738. DOI:10.1039/c0an01016b.

[39] Kochikov I.V., Morozov A.N., Fufurin I.L. Numerical procedures for substances identification and concentration calculation in the open athmosphere by processing a single ftir measurement // Computer Optics. 2012. Vol. 36. No. 4. P. 554-561.

[40] Harris F.J. On the use of windows for harmonic analysis with the discrete Fourier transform. Proceedings of the IEEE. 1978. Vol. 66. No. 1. P. 51-83. DOI:10.1109/PROC.1978.10837.

[41] Kozlov G.V., Volkov A.A. Coherent source submillimeter wave spectroscopy // Millimeter and Submillimeter Wave Spectroscopy of Solids. Topics in Applied Physics. 1998. No. 74. P. 51-109. DOI:10.1007/BFb0103420.

[42] Gorshunov B., Volkov A., Spektor I., Prokhorov A., Mukhin A., Dressel M., Uchida S., Loidl A. Terahertz BWO-spectroscopy // Int. J. of Infrared and Millimeter Waves. 2005. Vol. 26. No. 9. P. 1217-1240. DOI:10.1007/s10762-005-7600-y.