Малогабаритный спектрометрический датчик излучения

 

Полезная модель относится к малогабаритным спектрометрическим датчикам преимущественно терагерцового диапазона. 1. Малогабаритный спектрометрический датчик излучения, включающий массив дисперсионных элементов, каждый из которых обеспечивает селективность на определенной частоте, массив приемников излучения, расположенных в соответствующих фокусах дисперсионного элемента и регистрирующее устройство, отличающийся тем, что каждый дисперсионный элемент выполнен в виде диэлектрической микрочастицы, формирующей фотонную струю. 2. Малогабаритный спектрометрический датчик излучения по п.1, отличающийся тем, что диэлектрические микрочастицы выполнены в виде кубоидов с размерами, определяемыми из соотношения , где: k - коэффициент, равный 1.84, H - высота кубоида, L - длина стороны кубоида, - длина волны падающего волнового фронта, n/n0 - относительное значение показателя преломления материала кубоида и среды. 1 с.п. ф-ла, 3 илл.

Полезная модель относится к малогабаритным спектрометрическим датчикам преимущественно терагерцового диапазона.

В настоящее время во всем мире ведутся разработки по созданию спектрометрических датчиков и методик применения излучения ТГц частотного диапазона для задач медицины и биологии. Связано это, прежде всего, с тем, что в этом диапазоне лежат наиболее сильные линии поглощения многих веществ (например, вода, аммиак, спирты). Так же необходимо отметить, что в терагерцовом диапазоне находятся частоты колебаний больших групп атомов, образующих молекулу и колебания водородных связей многих органических веществ, представляющих интерес для биологии и медицины (белки, молекулы ДНК). Они являются очень чувствительными к геометрической форме молекулы, ее окружению и играют важную роль в биохимических реакциях.

Кроме того, датчики терагерцовых волн интенсивно развиваются применительно к системам безопасности. Как известно, взрывчатые (ВВ), наркотические и другие вещества, содержащие в себе молекулы, состоящие из кислорода, углерода, азота и водорода, сильно поглощают терагерцовое излучение, но лишь в узких полосах частот.

Датчики, реализующие метод терагерцовой спектроскопии, основаны именно на явлении поглощения группами атомов испытуемого объекта электромагнитных излучений в терагерцовом диапазоне. При поглощении энергии облучения происходит возбуждение молекулярных колебаний, поскольку молекулы поглощают только те кванты энергии, частоты которых соответствуют частотам валентных, деформационных и либрационных колебаний молекул. Способность терагерцовых датчиков идентифицировать определенные классы ВВ основана на явлении резонанса так называемых крутильных колебаний молекул органических веществ, к которым относятся бризантные составы, наркотики и некоторые жидкости. Использование терагерцевой спектроскопии позволяет дистанционно идентифицировать взрывчатку и наркотики, что является преимуществом, так как не всегда можно идентифицировать их другими методами.

Положительной особенностью метода терагерцовой спектроскопии является то, что полосы поглощения одного и того же вида колебаний атомной группы различных веществ располагаются в определенном диапазоне спектра (например, 3720-3550 см-1 - диапазон валентных колебаний групп -OH; 3050-2850 см-1 - групп -CH, -CHг, -CH3 органических веществ). Точное положение максимума полосы поглощения атомной группы в пределах этого диапазона указывает на природу вещества (так, максимум 3710 см-1 свидетельствует о наличии групп -OH, а максимум 3030 см -1 - о присутствии групп =C-H ароматических структур). Таким образом, богатый спектр колебательных и вращательных переходов в органических веществах и соединениях в терагерцовом диапазоне позволяет с высокой точностью определить их наличие и произвести идентификацию и, следовательно, терагерцовая спектроскопия может быть применена для анализа смесей и идентификации чистых веществ или их смесей путем сопоставительного анализа спектров откликов.

В настоящее время вопросы разработки сверхмалогабаритных спектрометров и спектрометрических датчиков актуален во всем мире. Кроме того, миниатюризация размеров ТГц спектрометров является важной задачей как технологического, так и коммерческого применения в целом. Более того, тенденция к уменьшению размера, высокой интеграции компонентов, и повышения производительности, окажут влияние на концепции построения различных систем, работающих в области ТГц.

Обычно для регистрации спектров ВВ с поверхности вещества применяют спектрометрические датчики на основе метода нарушенного полного внутреннего отражения (например, известны спектрометрические датчики британской компании TeraView (www.teraview.com), полезная модель G01B 1 92172 «Терагерцовый сканирующий зондовый микроскоп», В.В. Герасимов, Б.А. Князев. «ОСОБЕННОСТИ СПЕКТРОСКОПИИ НАРУШЕННОГО ПОЛНОГО ВНУТРЕННЕГО ОТРАЖЕНИЯ В ТЕРАГЕРЦОВОМ ДИАПАЗОНЕ» // Вестник НГУ, Серия: физика, 2008, т. 3, 4, 97-112). Принцип действия известных датчиков основан на поглощении поверхностным слоем детектируемого вещества энергии электромагнитного излучения, выходящего из призмы полного внутреннего отражения, которая находится в оптическом контакте с изучаемой поверхностью. Однако такие датчики практически не применимы для дистанционного обнаружения опасных или запрещенных предметов, имеют существенные габариты, значительно превышающие длину волны излучения.

В большинстве случаев прогресс развития спектрографов террагерцового диапазона в последнее время был связан с системами спектроскопии во временной области (TDS). Система TDS генерирует и обнаруживает ТГц импульс сигнала во временной области и вычисляет спектр путем выполнения преобразования Фурье входящего сигнала. Это достаточно сложные и технологически сложные и достаточно дорогие системы со значительными массо-габаритными характеристиками. Такие компании, как Picometrix (США), TeraView (Великобритания) и Zomega (США) развивают это направление спектрометров ТГц. Так, известен датчик компании Zomega, предназначенный для неразрушающего контроля и реализующий метод спектроскопии по временной области (X.-С. Zhang and Albert Redo-Sanchez. Handheld THz Instrumentation // http://spie.org/x86630.xml, C.O. ЛУНЕВ, В.И. СЫРЯМКИН. ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНАЯ ИНТЕГРИРОВАННАЯ СИСТЕМА ДИСТАНЦИОННОГО ОБНАРУЖЕНИЯ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ // ИЗВЕСТИЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ, Физика, Т. 56, 10/2, 2013).

Однако такие датчики достаточно трудоемки, имеют значительные габариты, значительно превышающие длину волны излучения.

Известен спектрометрический датчик, включающий дисперсионный элемент, выполненный в виде вогнутой дифракционной решетки, массив приемников излучения, расположенных в соответствующих фокусах дисперсионного элемента и регистрирующее устройство. (R.V. CHIMENTI and R.J. THOMAS, SPECTROMETERS: Miniature spectrometer designs open new applications potential // laser focus world, 05/01/2013. URL htlp://www.laserfocusworld.com/articles/print/volume-49/issue-05/features/spectrometers--miniature-spectrometer-designs-open-new-applicati.html;

Nano-Stick Spectrometer. URL http://www.nanoopticdevices.eom/#lspectrometers/clylt).

Принцип действия таких спектрометрических датчиков основан на использовании явления дифракции в зоне Фраунгофера, где расстояние вдоль оптической оси больше Z>>d2/, где - d диаметр апертуры и длина волны излучения. Такие спектрометрические датчики имеют значительные (по сравнению с длиной волны излучения) продольные габариты.

Известен малогабаритный спектрометрический датчик излучения, включающий массив дисперсионных элементов, выполненных в виде линз Френеля, каждая из которых обеспечивает селективность на определенной частоте, массив приемников излучения, расположенных в соответствующих фокусах дисперсионного элемента и регистрирующее устройство. (Yeonjoon Park et al. Miniaturization of a Fresnel spectrometer, J. Opt. A: Pure Appl. Opt. 10 (2008) 095301(8pp) doi: 10.1088/1464-4258/10/9/095301) Такой малогабаритный спектрометрический датчик принят за прототип.

Принцип действия такого спектрометра был основан на использовании дисперсионных свойств Френелевской оптики и линейки приемников. Известный спектрометрический датчик позволяет уменьшить продольные габариты, поскольку он работает в зоне Френеля. Однако и ему присущ основной недостаток - значительные продольные габариты (по сравнению с длиной волны излучения), поскольку принцип построения спектрометра принципиально ограничивает его миниатюризацию размером фокусного расстояния F2d. на заданной длине волны , т.е. продольными габаритами, лежащими в интервале (d<<Z<<d 2/)>>.

Задачей предполагаемой полезной модели является существенное уменьшение продольных габаритов спектрометрического датчика.

Поставленная задача достигается тем, что в малогабаритном спектрометрическом датчике излучения, включающим массив дисперсионных элементов, каждый из которых обеспечивает селективность на определенной частоте, массив приемников излучения, расположенных в соответствующих фокусах дисперсионного элемента и регистрирующее устройство, дисперсионный элемент выполнен в виде диэлектрических микрочастиц, формирующих фотонные струи.

При этом диэлектрические микрочастицы выполнены в виде кубоидов с размерами, определяемыми из соотношения , где: k - коэффициент, равный 1.84, H - высота кубоида, L - длина стороны кубоида, - длина волны падающего волнового фронта, n/n0 - относительное значение показателя преломления материала кубоида и среды.

Полезная модель поясняется чертежами. Фиг. 1 - схема малогабаритного спектрометрического датчика. Фиг. 2 - пример формирования фотонной струи при падении излучения на диэлектрический кубоид. Фиг.3-пример формирования фотонной струи террагерцового диапазона при изменении длины волны падающего излучения и зависимость распределения интенсивности поля вдоль оси кубоида при изменении длины волны падающего излучения.

На Фиг. 1 обозначены: 1 - диэлектрические микрочастицы, выполненные в виде кубоидов и формирующие фотонные тераструи 2, 3 - массив приемников излучения, 4 - регистрирующее устройство.

Заявляемое устройство работает следующим образом.

Авторами заявляемой полезной модели был обнаружен эффект формирования т.н. тераструй (V. Pacheco-Pena, M. Beruete, I.V. Minin, O.V. Minin. Terajets produced by 3D dielectric cuboids // Applied Physics Letters, 105, 084102 (2014); http://dx.doi.org/10.1063/1.4894243) (аналог фотонных наноструй в оптическом диапазоне при падении плоского волнового фронта на сферическую диэлектрическую частицу) при облучении диэлектрических кубоидов, где фокусировка излучения с эффектом сверхразрешения наблюдается на расстояниях 0<Z<(1-3). Дисперсионные свойства диэлектрических кубоидов (зависимость длины тераструи, ее положения в пространстве и фокусирующих свойств от значения падающей на кубоид длины волны) применены в качестве основы заявляемого сверхмалого спектрометра с продольными габаритами не более нескольких длин волн.

При падении террагерцового излучения на массив дисперсионных элементов, каждый из которых обеспечивает селективность на определенной частоте и выполнен в виде диэлектрических микрочастиц 1, формирующих фотонные струи 2 (в частности, кубоиды), каждый элемент массива микрочастиц формирует фотонные тераструи (в терагерцовом диапазоне), длина которых Z(), в частности, зависит от длины волны падающего на них излучения . В соответствии с дисперсионными свойствами таких диэлектрических микрочастиц на расстояниях, соответствующих текущей длине волны располагается массив приемников излучения 3, сигналы с которых поступают в регистрирующее устройство 4. Таким образом, каждый канал спектрографического датчика (элемент массива микрочастицы и соответствующего ему приемника излучения) настраивается на определенную длину волны излучения, соответствующую спектральной полосе вещества, подлежащего обнаружению и обеспечивает селективность на определенной частоте. Количество элемента массива микрочастиц и приемников соответствует количеству спектральных полос, подлежащих определению с помощью данного датчика (определяется его конкретным назначением).

Исследования показали, что для формирования фотонной тераструи (фотонной струи) при падении излучения на диэлектрический кубоид необходимо выполнение условия:

Размеры кубоида определяются из соотношения , где:

k - коэффициент, равный 1.84, H - высота кубоида, L - длина стороны кубоида, - длина волны падающего волнового фронта, n/n0 - относительное значение показателя преломления материала кубоида и среды.

Существенно, что датчики терагерцовой спектроскопии, в частности, в интересах таможенной, авиационной или транспортной безопасности, ряде задач биофизики и т.п.не нуждаются в высокой точности измерений или в устройствах визуализации спектров исследуемых веществ. Поскольку спектральные задачи при этом практически не ставятся (так как при проведении досмотра пассажиров и багажа нет необходимости исследования строения молекул, получения сведений о параметрах молекулярных моделей и решения обратных спектральных задач), для этого достаточно использовать спектрометр в качестве датчика.

Поскольку фокусировка излучения с эффектом сверхразрешения при падении излучения на микрочастицу, формирующую фотонную струю наблюдается на расстояниях 0<Z<(1-3), обеспечиваются продольные габариты спектрометрического датчика порядка нескольких длин волн, что существенно меньше габаритов известных датчиков.

Техническим результатом является уменьшение продольных габаритов спектрометрического датчика до величины нескольких длин волн анализируемого излучения.

1. Малогабаритный спектрометрический датчик излучения, включающий массив дисперсионных элементов, каждый из которых обеспечивает селективность на определенной частоте, массив приемников излучения, расположенных в соответствующих фокусах дисперсионного элемента и регистрирующее устройство, отличающийся тем, что каждый дисперсионный элемент выполнен в виде диэлектрической микрочастицы, формирующей фотонную струю.

2. Малогабаритный спектрометрический датчик излучения по п. 1, отличающийся тем, что диэлектрические микрочастицы выполнены в виде кубоидов с размерами, определяемыми из соотношения:

где k - коэффициент, равный 1,84; H - высота кубоида; L - длина стороны кубоида; - длина волны падающего волнового фронта; n/n0 - относительное значение показателя преломления материала кубоида и среды.



 

Похожие патенты:

Полезная модель относится к устройствам для получения полупроводниковых материалов, а именно порошкового нитрида алюминия для использования в производстве металлокерамических, керамических, композиционных и др

Полезная модель относится к наноразмерным полупроводниковым структурам, содержащим систему квазиодномерных проводящих каналов, используемых для изготовления приборов наноэлектроники и нанофотоники
Наверх