Terahertzes spektroszkópia a biológiában

„Ágazati felkészítés a hazai ELI projekttel összefüggő képzési és K+F feladatokra”

Buzády Andrea

Terahertzes spektroszkópia a biológiában

Kérdések a „Terahertzes rövidkurzushoz

spektroszkópia

TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt

a

biológiában”

Képzők

Képzése/hu

1

1. Mit jelent a THz? Milyen időállandójú fizikai folyamatokhoz kapcsolódhat? Sok esetben a 0,1-30 THz közötti frekvenciatartományt értik ezen. Indokolt azonban csak a szűkebb 0,1-10 THzes sávot ide sorolni, hiszen a 10-30 THz közötti frekvenciák már egybeesnek a távoli- és közép-infravörös tartománnyal, ami jól kezelhető a már létező optikai technológiákkal. A THz-es elektromágneses tér változásának periódusideje ~1 ps. Kismolekulák rotációs frekvenciája THz körüli. Gázfázisú molekulák közötti ütközés szobahőmérsékleten ~1 ps. Poláros folyadékok – például a víz – a korlátozott forgási- és kollektív módusok miatt jelentősen abszorbeálnak, a biológiai anyagok speciális ujjlenyomattal bírnak ebben a spektroszkópiai régióban. A proteinek és más biomolekulák biológiailag fontos kollektív módusainak rezgési frekvenciája terahertz körüli.

2. Milyen frekvenciájú elektromágneses hullámok érzékelésére képes az elektronika? Miért? A 1011 Hz-nél kisebb frekvenciájú elektromágneses tereket, az úgynevezett rádióhullámokat jól tudjuk kezelni az elektronika eszköztárával, az ennél nagyobb frekvenciájú tereket ezek az eszközök már nem tudják „követni”.

3. Milyen frekvenciájú elektromágneses hullámok érzékelésére képes a fotonika? Miért? A 1014 Hz-nél nagyobb frekvenciájú fotonoknak elég nagy az energiája, hogy fotoelektromos jelenséget tudjanak létrehozni, azaz a fényből elektromos jelet tudunk előállítani. Az előbbinél alacsonyabb frekvenciájú fotonnak azonban ehhez már kevés az energiatartalma.

4. Mit jelent a „THz gap”? Miért alakult ki? Az elektronika és fotonika által elérhető között van egy frekvenciatartomány, egy hézag, amihez tartozó sugárzásokat sokáig nem tudtunk akár a hétköznapi életben is kényelmesen használható, „asztali” méretű, vagy akár szobahőmérsékleten működő eszközökkel, sem előállítani, sem érzékelni. Korábban is létező terahertzes források a széles spektrumú hőmérsékleti sugárzók, vagy az igen nagy intenzitást szolgáltató szinkrotron. Detektorként pedig az infravörös, különösen a távoli infravörös spektroszkópiában alkalmazottakat említhetjük, úgymint a bolométer, vagy a Golay-cella. A hétköznapi használhatóságot azonban jelentősen korlátozza a szinkrotronhoz való hozzáférés, vagy a bolométer használatához megkívántatott héliumhűtés.

5. Milyen hullámhossz-, idő-, hőmérséklet-, energiatartománynak felel meg a THz-es frekvenciatartomány? Hullámhosszban ez a 3-0,03 mm közöttinek felel meg. Az elektromos térerősség változásának periódusideje pedig 10-0,1 ps között van. Figyelembe véve, hogy ∙ ∙ , a kapcsolódó hőmérséklettartomány a 4,8480 K közötti. Egy THz-es foton energiája pedig: 0,41-41 meV között lehet.

6. Miért lehet előnyös a THz-es képalkotásnál a látható fényhez képest hosszabb hullámhossz? A képalkotásnál a kontrasztot nagyon zavaró módon rontja a szórt sugárzás jelenléte, mint egy fajta háttérzaj van jelen. A szórt sugárzás intenzitása viszont a hullámhossz negyedik hatványával fordítottan arányos, tehát a ~mmes hullámhosszú terahertzes hullámok alkalmazásánál ezzel a problémával lényegében nem kell számolni.

7. Káros-e a THz-es sugárzás az élőszervezetekre? Ha igen miért, ha nem miért nem? Az energiatartományt megnézve elmondhatjuk, hogy az ~1 meV nagyon kicsi energiaadag. Amikor egy bármilyen anyagi közeg és egy bármilyen sugárzás kölcsönhatnak, a bekövetkező jelenségek jellegét nagymértékben a közeg által elnyelt energiaadag nagysága befolyásolja. Nagyenergiájú – az adott közeg ionizációs energiájánál nagyobb energiájú – sugárzások akár roncsolhatják is a közeg anyagi részecskéit. Ilyen például a röntgenfotonok keV-os nagyságrendű energiája, amivel szemben a THz-es foton ~ meV-os energiája milliomod része. A terahertzes sugárzás tehát úgynevezett kisenergiájú, nem ionizáló hatású sugárzás, nem veszélyes az élő szervezetekre, például ránk nézve.

8. Mit jelentenek, miből származnak a következő, az angol szakirodalomban, ebben a témakörben használt kifejezések?„down conversion”, „up conversion” A THz-es frekvenciák az optikai tartományhoz képest az alacsonyabb, az elektronikai tartományhoz képest a magasabb frekvenciák felé esnek. Ezért a megfelelő THz-es előállítási módszereket frekvencia lekonvertálásnak, illetve frekvencia felkonvertálásnak nevezzük. A szakirodalomban meghonosodott angol kifejezéssel, „down conversion” illetve „up conversion”.

9. Soroljon fel szélessávú terahertzes impulzus előállítására alkalmas fizikai folyamatokat, módszereket! TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt

2

Nemlineáris közegben megvalósított optikai egyenirányítással. Félvezető anyag felhasználásával készített fotovezető kapcsolóval. Relativisztikus sebességre felgyorsított csomósodó elektronnyalábbal.

10. Soroljon fel folytonos terahertzes sugárzás előállítására alkalmas fizikai folyamatokat, módszereket! Nemlineáris közegben megvalósított különbségi frekvenciakeltéssel. Mikrohullámú frekvencia többszörözésével egy erősen nemlineáris áram-feszültség karakterisztikájú dióda segítségével. Félvezető anyagból készített fotovezető antennával optikai keveréssel. Backward wave oszcillátorba (BWO) illetve szabadelektron lézerbe érkező elektronnyalábbal. THz-es (gáz- és félvezető) lézerekkel

11.

Mit jelent az indukált emisszió?

Az indukált emisszió során egy adott frekvenciájú foton nem elnyelődik, hanem egy ugyanolyan tulajdonságú foton kibocsátására kényszeríti a rendszer részecskéit. Egy ilyen elemi folyamat bekövetkezésének a valószínűsége csak akkor lesz nagyobb az abszorpcióénál, ha a rendszerben a gerjesztett állapotban lévő részecskék száma nagyobb az alapállapotban lévőknél.

12.

Mit jelent a populáció inverzió? Milyen rendszerrel lehet megvalósítani?

A populáció inverzió azt jelenti, hogy a lézerátmenetben résztvevő szintek között a magasabb gerjesztett állapotban több részecske van, mint az alacsonyabb energiájú állapotban. Ilyen helyzet megvalósításához legalább háromszintes rendszer kell. Az ábrán látható, hogy a pumpálással az E2 szintre gerjesztett részecskék gyorsan az E1-re relaxálnak, és így elérhető, hogy az E1 szinten több részecske legyen, mint az E0 szinten, azaz: N1 >N0, tehát ezen két szint között megvalósul a populáció inverzió.

13.

Mi szükséges a lézer működéséhez? Ismertesse az elrendezést!

A speciális anyagból készült erősítő közeg két tükör között helyezkedik el, ez a rezonátor. A lézeraktív anyagot pumpálva elérhető a populációs inverzió. A spontán emisszióból származó fotonok beindítják az indukált emissziós folyamatokat. Mivel mindegyik indukált emissziós foton tulajdonsága az őt kiprovokáló foton tulajdonságaival egyezik meg, a spontán emisszióra jellemzően a tér minden irányába indulnak indukált emissziós fotonok. A rezonátorban a tükrök által kiválasztott optikai tengely irányától eltérő irányba haladók azonban elnyelődnek, míg a tengellyel párhuzamosan haladók az oda-vissza haladás közben újabb és újabb indukált emissziót kiváltva megerősödnek.

14.

Mit nevezünk a lézerek esetén rezonátor módusoknak?

A lézerműködés során a rezonátorban létrejövő elektromágneses sugárzásból stabilan csak a rezonátor hosszának (L) a következő összefüggés szerint megfelelő hullámhosszúságúak maradnak fent: a



∙ , ahol  a hullámhossz és m egész

szám. A rezonátorban kialakuló állóhullámokat szemlélteti az ábra, ezeket hívjuk módusoknak.

15.

Ismertessen inkoherens THz-es detektálási módszereket!

A THz-es sugárzás detektálására alkalmas inkoherens detektorok a termális szenzorok, úgymint a bolométer, a Golay-cella, és a piroelektromos eszközök. Mindegyik termális detektor közös eleme a sugárzást elnyelő abszorber, ami egy hőtartályhoz kapcsolódik. A sugárzási energia mértékét az abszorber hőmérsékletének a mérésével határozzuk meg. A különbség abból adódik, hogy milyen fizikai mennyiség változásán keresztül mérik a hőmérséklet változását. Az általában kriogenikus hőmérsékleten használt bolométerben az erősen szennyezett félvezető ellenállása változik a hőmérséklettel. Tehát a THz-es sugárzás elnyelésének hatására közvetetten megváltozó ellenállásnak a nagyságát mérjük


3

A Golay-cella tulajdonképpen egy opto-akusztikus detektor. A sugárzás keltette hő az abszorber mögötti zárt, gázt tartalmazó, rugalmas falú kamrába jut. A hőmérséklet növekedése a gázban nyomásnövekedést indukál, ami a kamra falában lévő membránt deformálja. Ezt a deformációt egy fénysugár visszaverődésének változásával detektáljuk. Tehát a sugárzás intenzitását a deformáció mértékével mérjük. A piroelektromos detektorokban az elektromos polarizáció változik a hőmérséklettel.

16.

Mi az előnyük és mi a hátrányuk a termális THz-es detektoroknak?

Előnyük, hogy széles spektrális tartományban képesek a sugárzást detektálni, használatuk azonban a fénydetektorokhoz képest körülményes. A bolométer használatához például extra alacsony hőmérséklet szükséges. Mivel a hőmérséklet méréséhez az abszorbernek a sugárzás elnyelése után el kell érnie a hőmérsékleti egyensúlyt, mindegyikre jellemző a hosszú mérési idő.

17. Miért nincs az optikai tartományban, és miért van a THz-es tartományban lehetőség az elektromágneses jel térerősségének időbeli mérésére? Egy THz-es jel időben a pikoszekundumos időtartománynak felel meg. Ennél rövidebb időtartamú jelenség, például koherens optikai impulzus felhasználásával során lehetőség van a THz-es elektromágneses jel térerősségének időbeli mérésére, tehát a térerősség-idő függvény meghatározására. Erre az optikai tartományon, azaz a 1015 Hz körüli frekvenciáknak megfelelő femtoszekundomos időtartományban nincs lehetőségünk, mert a méréshez nem áll rendelkezésünkre egy még ennél is rövidebb időtartamú jelenség.

18. Miért előnyős a térerősség-idő függvény ismerete? Mi a koherens detektálás előnye a THz-es tartományban? Milyen jelet mérünk inkoherens detektáláskor? A konkrét térerősség-időfüggvény ismeretében egyszerre tudjuk megadni a jel amplitúdóját és a fázisát, ezek ismeretében egy mérésből tudjuk meghatározni a minta abszorpcióját és törésmutatóját. Inkoherens detektáláskor az intenzitás mérésével csak a térerősség amplitúdójának négyzetével arányos jelet kapunk, és a fázisról nincs információnk.

19. Soroljon fel THz-es impulzusok detektálására alkalmas koherens módszereket! Ismertesse az egyiket részletesebben! Elektro-optikai mintavételezés Az elektro-optikai mintavételezés során a szélessávú ps-os THz-es impulzus elektromos térerősségét egy legfeljebb 100 fs-os optikai próbaimpulzussal mérik az időben. A nemlineáris kristályon áthaladó fény polarizációs állapota megváltozik, ha a fénnyel egy időben THz-es tér is jelen van. A próbaimpulzust időben késleltetve mérhető a polarizációs állapot időbeli változása, és ebből meghatározható a térerősség időbeli függvénye. Fotovezető antenna (photoconductive antenna) PC antennával szintén mérhető egy szélessávú THz-es impulzus időbeli lefutása. A feszültségre kapcsolt a PCben a THz-es tér áramot indukál, de csak abban a pillanatban, amikor a megjelenő optikai próbaimpulzus töltéshordozókat generál. A létrejövő áram erőssége arányos a THz-es tér amplitúdójával. A THz-es jel időbeli alakját a THz-es és az optikai jel közötti időbeli késleltetéssel lehet meghatározni.

20. Soroljon fel folytonos THz-es sugárzás detektálására alkalmas módszereket! Ismertesse az egyiket részletesebben! Fotovezető antennával folytonos THz-es sugárzás is detektálható. A feszültségre kapcsolt antennát a lézernyalábbal megvilágítva a THz-es sugárzás jelenlétében fotoáram keletkezik. Ennek a fotoáramnak az adott fáziskülönbséghez tartozó erőssége arányos a THz-es jel elektromos térerősségének adott fázisbeli amplitúdójával. Az optikai próbajel fázisát a detektálandó folytonos THz-es jel fázisához képest eltolva egy TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt

4

másik időpillanatbeli amplitúdót fog érzékelni a detektor. A fáziskülönbség változtatásához egy tükrökből álló mechanikus késleltető egységet alkalmaznak. A heterodin detektálás során a THz-es jelet egy fix frekvenciájú referenciajelhez keverik, jellemzően egy Schottky-diódával. A kimenő jel frekvenciája a referenciajelétől a THz-es frekvenciával különbözik, amplitúdója pedig arányos a THz-es jel amplitúdójával.

21.

Milyen anyagból készülhet egy THz-es berendezésben ablak?

Az optikai alkalmazásokban elterjedten használt üveg nem használható, mert átlátszatlan a THz-es tartományon. Az optikai frekvenciákon átlátszatlan polimerek, a dielektrikumok és a félvezetők viszont átlátszók a T sugarak számára. A leggyakrabban használt ilyen anyagok a szilícium, a germánium, a gallium-arzenid, a kvarc, az ömlesztett szilícium és a zafír. A víz jelentős mértékben abszorbeál ezen a tartományon, ezért a THz-es sugárzás útvonalán gyakran vákuumra van szükség. Egy ablakként használt elemnek meg kell tartania a vákuumot, és a nagy hőmérsékletkülönbséggel szemben is ellenállónak kell lennie.

22. Milyen a polimerek, a dielektrikumok és a félvezetők diszperziós tulajdonsága a THz-es tartományon? A polimerek közül a polietilén és a teflon majdnem teljesen diszperzió mentesek. Az abszorpciós együttható 1 THz-en kevesebb, mint 0,5 cm-1, és a frekvenciával közel négyzetesen változik. Az átlag törésmutatójuk 1,4 és 1,5 között csak nagyon kicsit változik. A szilícium a legátlátszóbb és legkevésbé diszperzív anyag ezen a tartományon. A nagy tisztaságú kristály abszorpciós együtthatója kevesebb, mint 0,1 cm-1 3 THz alatt. Az extrém nagy törésmutató n = 3,4175+/-0,0001, azaz alig változik ugyanezen a frekvenciatartományon.

23.

Milyen eszközöket, hogyan használnak a THz-es nyaláb formálására?

A THz-es nyaláb formálására az átlátszó lencséken kívül gyakran alkalmaznak tükröket és más összegyűjtő elemeket. A kúpos fényvezetőcsővel, Winstoncsővel is megváltoztathatjuk a sugárzás térszögét. Ez egy fémből készült parabola keresztmetszetű eszköz, ami az optikai tengellyel szöget bezáró nyalábokat is a kilépő nyílásra gyűjti. A belépő és a kilépő apertúra keresztmetszete az ábrán is látható módon határozza meg a kilépő nyaláb nyílásszögét: A THz-es frekvenciákat a fémek nagy hatékonysággal, tipikusan 98-99%-ban, verik vissza, ezért nagyon jó fényvezető csövek készíthetők belőlük. Réz, ezüst, arany, alumínium egyaránt megfelelő alapanyag erre a célra.

1



24. Miből készülhet speciális dikroikus tükör? Milyen egyéb érdekes tulajdonsággal bír ez az anyag? Dikroikus tükör készülhet az ónnal szennyezett indium-oxidból (ITO). Különleges tulajdonságai: fémekkel megegyező 106 S/m-es vezetőképesség, az optikai frekvenciákon 95%-os transzmittancia, azaz optikai átlátszóság, 1 THz-nél 98%-os reflexió.

25.

Miből készíthetünk a THz-es frekvenciákra alkalmas polarizátort? Hogyan működik?

A THz-es frekvenciákon fémszálakból készült rács szolgál polarizátorként. A körgyűrűbe rögzített, a átmérőjű párhuzamos szálak egymástól g távolságra vannak, ez adja a rács A periodicitásának mértékét. rácsszerkezetre érkező elektromágneses hullámban a fémszálakkal párhuzamos elektromos térerősség vektorral jellemezhető nyalábkomponens szinte teljes egészében visszaverődik, a merőleges viszont áthalad rajta. Egy tetszőleges irányú térerősség vektorral jellemzett nyaláb áthaladására jellemző transzmissziós arányt a következő összefüggéssel adhatjuk meg: TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt

5

= , ahol szöget jelenti.

26.

a rácsot alkotó fémszálak és a beeső nyaláb elektromos térerősség vektora által bezárt

Mit nevezünk „wave plate”-nek, avagy retardáló lemeznek? Hogyan működik?

Kettőstörő kristályból a fény illetve bármely elektromágneses hullám polarizációs állapotának kontrollálására szolgáló elemek készíthetők, ezeket hívjuk angol kifejezéssel: „wave plate”-nek, vagy magyarul retardáló lemeznek. Kettőstöréskor a különböző polarizációs irányokra különbözik a törésmutató, az ordinárius törésmutató: no, az extraordinárius törésmutató: ne. Ez azt jelenti, hogy a különböző polarizációjú hullámok különböző sebességgel haladnak a kristályban. Azon áthaladva az egymásra merőleges polarizációjú nyalábok fázisa különbözik. A (d) vastagságú kristályon áthaladva kilépéskor a két  frekvenciájú hullám interferenciájának eredménye a  fáziskülönbségnek megfelelően alakul. ∆

∙

∙

Az összefüggés alapján bármilyen hullámhosszra a lemez vastagságának megfelelő megválasztásával tervezhető a létrejövő fáziskülönbség, és így a polarizációs állapot.

27.

Mit nevezünk lambda-feles illetve lambda-negyedes lemeznek?

A wave-plate-ek közül a leggyakrabban alkalmazott lemezek a lambda-feles és lambda-negyedes lemez. Lambda-feles lemeznek azt a lemezt nevezzük, ami az adott hullámhosszú fényre  fáziskülönbséget okoz. Tehát egy lineárisan polarizált fénynyaláb polarizációs síkját 0 és 90 között folyamatosan lehet változtatni a beeső polarizációs irány és a kristály optikai tengelye által bezárt szög változtatásával. A lambda-negyedes lemezen való áthaladás után, az okozott /2-es fáziskülönbség miatt a beeső lineárisan polarizált fényből cirkulárisan polarizált fény lesz, és fordítva is, azaz ha cirkulárisan polarizált fény érkezik a lemezre, az áthaladás után lineárisan polarizált nyaláb lép ki.

28. Milyen elem lehet alkalmas a THz-es tartományon nyalábosztásra, úgy, hogy a transzmisszió frekvencia független legyen? A polarizátorként is használatos körgyűrűbe rögzített fémszálakból álló rács alkalmas erre. A forrás lineáris polarizációs irányához képest 45°-os szögben beállítva frekvencia függetlenül 50-50%-ban osztja meg a nyalábot. A mérés során lefedett teljes frekvenciatartományon teljesül, hogy a nyaláb felét átengedi, felét visszaveri.

29.

Mi a diszperzív spektroszkópiai módszer lényege?

A folytonos termális sugárzó spektrumából a diszperzív elem – rács, prizma – kiválasztja a kívánt frekvenciát, amit aztán a detektorral figyelünk meg. A tipikusan transzmissziós rácson áthaladva az elhajlásnak megfelelően a különböző frekvenciájú komponensek más-más irányban haladnak tovább, így a rács forgatásával lehet kiválasztani, hogy a forrás sugárzásából a kilépő résre egy adott központi frekvenciájú komponens jusson. A rács és a kilépő rés paraméterei meghatározzák, hogy ezen frekvencia körül milyen sávú sugárzás lép ki résen. A terahertzes tartományon használható, körülbelül ~3 THz-re tervezett rács nagyjából 200 mm széles és 10 karcolatot tartalmaz milliméterenként, az átvitel sávszélessége pedig 1-2 GHz körüli.

30.

Mi az interferomerikus spektroszkópia lényege? Hogyan működik?

Az interferométert tartalmazó rendszerek multifrekvenciásak. A forrásból származó sugárzást parabola tükörrel való formálás után egy nyalábosztó egy részt a fix T1 tükörhöz, másrészt a mozgatható T2 tükörhöz vezeti, ahonnan visszaverőnek. Ha a forrás egy adott frekvenciájú, azaz monokromatikus jelet szolgáltat, akkor az T2 tükröt mozgatva a detektorra érkező jel az újra találkozó nyalábok interferenciájának eredményeképpen a d távolságot változtatva periodikusan fog változni a maximális és a nulla érték között, feltéve, hogy a nyalábosztó 50-50%-ban osztja ketté a beeső nyalábot. Ha a forrás nem monokromatikus, akkor a detektorra érkező jel több, egy az alapfrekvenciához képest egész számú többszörössel jellemzett frekvenciát is tartalmaz. Így azonban ellentétben a diszperzív rendszerekkel, az interferométeres rendszer nem közvetlenül a spektrumot szolgáltatja, hanem annak Fouriertranszformációját. Azaz, egy inverz Fourier-transzformációra még szükség van az eredeti spektrum meghatározásához. TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt

6

31.

Ismertesse a Fourier-transzformációs spektrométer egy általános elrendezését!

A széles spektrumú folytonos THz sugárzó spektrumából az interferométer egy hullámhossz sorozatot választ kiválaszt ki, majd a mintán áthaladó sugárzás intenzitásának csökkenését – azaz az abszorpciót – egy inkoherens detektorral, például bolométerrel mérjük. Az interferométerben lévő tükrök egy adott helyzetében csak bizonyos hullámhosszakra lesz erősítés, azaz egy hullámhossz kombinációnak megfelelő jel lép ki. A detektor által mért intenzitás ezek összességéhez tartozik. Az egyik tükör mozgatásával változtatjuk a két nyaláb útkülönbségét, és így változik az interferencia eredménye. A mérés során a tükör mozgatásának függvényében mérjük egyszer a referencián, másszor a mintán áthaladó jel intenzitását. Mindkét esetben inverz Fourier-transzformációval számoljuk ki a frekvenciafüggő intenzitást. Azaz: Iref (x)  Iref (f) és Iminta (x)  Iminta (f) számolás után az abszorpciót a következőképpen kapjuk:

32.

Ismertesse az időbontott pumpa-próba mérés elvét!

Ebben a módszerben a szubpikoszekundumos skálán lejátszódó folyamatok időbeli lefutásának vizsgálatára ultrarövid lézerimpulzusokat használunk. Az időbeli felbontást az optikai impulzus időbeli szélessége határozza meg. A lézernyalábot egy nyalábosztóval kétfelé osztjuk. Az egyik fényút hossza, jelen esetben a pumpanyaláb úthossza a tükrök helyzetével változtatható hosszúságú. Ez időben változtathatóan késlelteti a pumpanyalábot, így ezzel a késleltető egységgel változtatható a mintára érkező pumpa- és próbanyaláb közötti időkésés. A pumpáló nyaláb a mintában változást okoz, ezt követjük a próbanyaláb segítségével, akár a mintáról jövő reflexiót, akár a transzmissziót, akár a szórást figyeljük meg.

33. A koherens spektroszkópia előnye, hogy a térerősség időbeli függvényét tudja meghatározni, azaz a fázist is meghatározzuk. Hogyan? Vegyünk egy d vastagságú réteget, amire merőlegesen E0() elektromágneses hullám érkezik. A közeg határfelületére érve egy része reflektálódik, más része belép a közegbe, ott többszörös reflexiók is bekövetkeznek, végül az oda-vissza haladó nyalábrészek interferenciájának és abszorpciójának eredményeképpen a transzmittált ET() nyaláb lép ki. A közeg komplex törésmutatója: ∙ Ahol a törésmutató,  az abszorpciós együttható. A mérés során a két térerősség arányát mérjük. Megmutatható, hogy: 4∙ ∙ ∙ 1 1 ∙ ∙ ∙   . ahol a d rétegvastagságon áthaladó hullám a fázis eltolódása   A komplex törésmutató a mért adatok illesztésével meghatározható.

34.

Milyen előnyős tulajdonsága van a THz-es források között a BWO-nak?

A BWO előnye, hogy a nagy kimenő teljesítmény mellett keskenysávú - ∆ / le változtatásával hangolható.

10 - és a tápfeszültség fel-

35. Hogyan lehet egy koherens forrású, de inkoherens detektort tartalmazó elrendezéssel meghatározni egy mintán átmenő THz-es jel fázisát? A Mach–Zehnder-interferométeres elrendezésű mérőrendszer koherens forrása egy BWO, detektorként egy Golay-cellát használunk. A kimenő THz-es sugárnyalábot lencsével, diafragmával formáljuk, hogy a minta előtt TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt

7

Gauss-profilt kapjunk. A fémrács polarizátorral beállítjuk a nyaláb polarizációját. A transzmissziót úgy mérjük, hogy egyszer a minta bent van a nyalábútban, máskor úgy, hogy nincs bent. A két jelet elosztva egymással megkapjuk a minta transzmisszióját. A fázis méréséhez bekerül a nyaláb útjába egy nyalábosztóként használt fémrács, ez a nyaláb egy részét elvezeti a fáziseltolódás mérését lehetővé tevő kompenzátor felé, ami egy mozgatható tükör. Miközben hangoljuk a BWO frekvenciáját, úgy állítjuk be ezt a tükröt, hogy a detektoron megjelenő jel nulla legyen, azaz kompenzáljuk a mintát tartalmazó nyalábágban bekövetkező fáziskésést. A tükör helyzetét jelző távolságot a BWO frekvenciájának a függvényében mérjük. Ahogy a transzmisszió mérésénél is, ekkor is két mérésből tudjuk meghatározni a minta által okozott fázistolást.

36.

Minek a rövidítése a TDTS?

Time-Domain Terahertz Spectroscopy, Időtartománybeli THz-es spektroszkópia

37.

Milyen forrást és detektort használnak leggyakrabban manapság a TDTS-ben?

Forrás: fotovezető kapcsoló (PC), optikai egyenirányítás. Detektor: fotovezető antenna, elektro-optikai mintavételezés.

38.

Milyen fizikai elven működik a fotovezető kapcsoló?

A félvezetők vezetőképessége megnő, ha megfelelő frekvenciájú fénysugárzás éri őket. Ha a fotonok energiája nagyobb, mint a félvezetőrétegben a vezetési sáv és a vegyérték sáv közötti tiltott sávszélesség, akkor a foton elnyelése töltéshordozókat generál, elektron-lyuk párok keletkeznek. Például egy 780 nm hullámhosszú titán-zafir lézerimpulzusban a foton energiája joule-ban illetve elektronvoltban kifejezve: ∙



6,626 ∙ 10

Js ∙

∙ , ∙

2,55 ∙ 10

J

1,59 eV.

A sziliciumban és a gallium-arzenidban a tiltott sávszélesség ennél kisebb: 1,12 ill. 1,42 eV.

39. Milyen kapcsolat van a fotovezető kapcsolóban a fény által indukált fotoáram erőssége és generált THz-es jel térerőssége között? Az antennaként használt két fémelektróda m-nyi távolságra van egymástól és köztük félvezető réteg tölti ki a teret. Az antennákra kapcsolt feszültség elektromos teret hoz létre, amiben megindul a fény által generált töltéshordozók gyorsulása. A fény indukálta áramsűrűség nagyságát a következőképpen kapjuk: ∙ ∙ ∙ , ahol N(t) a töltéshordozók koncentrációja, e az elemi töltés nagysága,  a (félvezető anyagi tulajdonságai által meghatározott) töltéshordozók mozgékonysága, E a fémelektródákra kapcsolt tér erőssége. A gyorsuló töltések elektromágneses teret keltenek, a kialakult THz-es frekvenciájú sugárzás térerőssége arányos a fotoáram időbeli deriváltjával:

40.

∝

, azaz

∝

.

Mi határozza meg a fotovezetőben generált THz-es jel időbeli szélességét?

A fotoáram a fényimpulzus megszűnése után a töltéshordozók rekombinációjának megfelelően időben lecseng. A THz-es impulzus időbeli szélességét az akár néhány pikoszekundumig is eltartó fotoáram időbeli lecsengése határozza meg, ezt pedig két dolog befolyásolja: a töltéshordozóknak a rekombináció folyamatával kapcsolatos élettartama és az indukáló lézerimpulzus időbeli szélessége. A töltéshordozók élettartama az antenna anyagául TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt

8

választott félvezető anyagi minőségre jellemző állandó. A félvezető mobilitását nagyon megfontoltan kell megválasztani, hogy elkerülhető legyen a rövidzárlat. A lézerimpulzus időtartamának változtatásával a lézernyaláb teljesítményét is befolyásoljuk. Az intenzív THz-es impulzus előállításához minél nagyobb teljesítményű lézerimpulzusra, minél kisebb rekombinációs idejű félvezetőre van szükség, miközben az antennára minél nagyobb előfeszültséget kell kapcsolni

41.

Hogyan lehet az optikai egyenirányítást THz-es jel generálására felhasználni?

Ennél a nemlineáris optikai eljárásnál az ultra rövid idejű lézerimpulzus olyan nagy intenzitású, hogy egy arra alkalmas kristályra érkezve másodrendű nemlineáris folyamatot generál. A közeg nemlineáris válaszában az eredeti frekvenciák mellett azok összege, különbsége, többszöröse is megjelenik. A lézernyaláb frekvenciakomponenseiből kettőt kiragadva a következőképpen adható meg a frekvenciafüggő polarizáció egyik komponense: ∝ Ez a különbségi frekvenciáknak megfelelő jel a THz-es tartományba esik, mivel a lézerfény a látható, illetve a közeli infravörös komponenseinek frekvenciakülönbsége éppen ilyen nagyságrendű.

42. Mivel magyarázza, hogy az optikai egyenirányítás során keletkező THz-es jel széles spektrumú? A közegnek a beeső nagy intenzitású elektromágneses sugárzás elektromos térerősségére adott válasza – a polarizációja – magasabb rendű tagokat is tartalmaz. Általánosan a polarizáció és a térerősség közötti kapcsolat a sorfejtés után a következő összefüggéssel adható meg: ⋯    A polarizáció-idő függvény Fourier-transzformálásával megkapjuk a közeg polarizációjának frekvenciafüggését. A lézerimpulzus elektromos térerősség függvényének időbeli lecsengése nagyon rövid, ezért a Fouriertranszformációval megkapható spektruma elég széles, több frekvenciakomponenst is tartalmaz. A sokféle frekvenciának megfelelő sokféle különbségi frekvencia mind megjelenik a polarizációban. Természetesen a keltett THz-es jel spektrumában az összes a széles spektrumú lézernyalábban meglévő optikai frekvenciák különbségei megjelennek, így egy széles spektrumú, azaz rövid idejű THz-es jelet kapunk.

43.

Mit jelent a „fázisillesztés” feltétele? Hol fordul elő? Miért kell ennek teljesülnie?

Az úgynevezett „fázisillesztés” feltételének a hatékony terahertz generáláshoz kell teljesülnie. Ez azt jelenti, hogy a terahertzes impulzusnak a kristályban való haladása közben végig ugyanolyan sebességgel kell haladnia, mint a lézerimpulzusnak. Tehát a látható optikai impulzus csoportsebessége meg kell egyezzen a terahertzes = . Ez a diszperzió miatt nem egy magától értetődően teljesülő feltétel. De hullámok fázissebességével: ha teljesül, akkor a terjedés közben keletkező terahertzes hullámok koherens módon adódnak össze.

44.

Miért lehet a fotovezető antennát THz-es jel detektálására használni?

Például egy titán-zafir lézerimpulzusban a foton energiája nagyobb, mint egy félvezető rétegben a tiltott sáv szélessége. Így egy ilyen nyaláb töltéshordozókat generál a félvezető felületén. Ha egyszerre éri a félvezető felületét a THz-es sugárzás és a lézernyaláb, akkor a lézer által generált töltéshordozók a THz-es elektromos térben elmozdulnak, áram indukálódik. Ezt mérhetjük egy árammérővel.

45. Hogyan mérhetjük meg fotovezető antennával egy THz-es impulzus amplitúdó-idő függvényét? Ha a lézerimpulzus időbeli szélessége és a töltéshordozók rekombinációs élettartama sokkal kisebb, mint a THzes jel időtartama, akkor azt mondhatjuk, hogy a fotovezető antenna ezen a pikoszekundumos időtartományon belül csak egy pillanatig érzékeli a terahertzes jelet. A jó detektor szempontjából tehát kritikus paraméter, hogy a félvezetőben keletkező töltéshordozók élettartama minél rövidebb legyen. Doppolással, ionos szennyező anyagok bevitelével csökkenteni lehet a rekombinációs időt, mert így a töltéshordozók könnyen csapdázódnak. A rekombináció után a félvezető antenna újra alkalmas a THz-es jel detektálására, amint érkezik a következő . A THzlézerimpulzus bekapcsol és a THz-es jel pillanatnyi nagyságával arányos áramot jelez: ∝ es jel egy adott pillanatbeli elektromos térerősségének mérése után egy késleltető egységgel el kell tolni a lézernyaláb érkezésének idejét, hogy egy következő pillanatban mérjük a térerősséget.

46. Milyen fizikai folyamat teszi lehetővé, hogy például egy ZnTe kristállyal THz-es jelet detektáljunk? TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt

9

Az elektro-optikai mintavételezés során egy a THz-es frekvenciákon kettőstörő kristályt alkalmazunk a detektálásra, ilyen például a gyakran használt ZnTe (cink-tellurid) kristály, és lényegében a jól ismert elektrooptikai Pockels-effektust használjuk ki. Az elektromos tér jelenlétében megvalósuló kettőstörés – ugyanúgy, mint az optikai egyenirányítás – a közeg nemlineáris válasza a nagyintenzitású elektromágneses térrel való kölcsönhatás esetén. A másodrendű polarizáció kifejezésében a tér által indukált szuszceptibilitás tenzor ugyanazon komponensei szerepelnek, mint az optikai egyenirányításnál, és egy veszteségmentes közegben meg is egyeznek ezek a komponensek. Ebből következik, hogy az elektromos tér által indukált kettőstörés arányos a tér amplitúdójával. Fordítva a kettőstörés mérésével meg tudjuk határozni az alkalmazott elektromos tér erősségét. Az elektro-optikai (EO) mintavételezés során – ahogy a PC alkalmazásakor is – a THz-es jelet időtérben mérjük, és nem csak az elektromágneses tér amplitúdóját, hanem a fázisát is nagy pontossággal (<10-2 rad) tudjuk meghatározni.

47. Ismertesse az EO-n alapuló mérést, amivel meg lehet határozni a THz-es tér időbeli változását! A terahertzes tér jelenléte nélkül érkező lineárisan polarizált lézerimpulzus a polarizáció változása nélkül áthalad az átlátszó kristályon és utána a lambda-negyedes lemezre érkezik. A kettőstörő kristályból készült lemezben a ráeső lineárisan polarizált nyaláb ordinárius és extraodrinárius nyalábra oszlik. A beeső nyaláb polarizációs síkjának és a pontosan negyed hullámhossznyi vastagságú kristály optikai tengelyének összehangolásával elérhető, hogy a lemezen való áthaladás után a két nyalábrész egyenlő intenzitású legyen, és éppen /2 fáziskülönbség legyen közöttük. Így a megfelelő irányban beállított optikai tengelyű lemezen való áthaladás után az eredetileg lineáris polarizációjú nyalábból a kettőstörés miatt kialakult, két egymásra merőleges polarizációjú lineárisan polarizált nyaláb interferenciájaként cirkulárisan polarizált nyaláb lép ki. A Wollaston-prizma ezután szétválasztja ezeket az egymásra merőleges komponenseket. A kiegyensúlyozás után a két detektorra egyenlő intenzitású nyalábok érkeznek, a különbséget jelezve nullát mutatnak. Ha ezután a lézernyaláb terahertzes tér jelenlétében, azzal egy időben halad át a kristályon, akkor a polarizáció síkja elfordul, a hullámhossznegyedes lemezen áthaladva elliptikusan polarizált nyalábként lép ki, a prizma után a szétválasztott két nyaláb intenzitása nem lesz egyenlő, a különbségi detektor nullától különböző jelet mutat. A különbségi jel nagysága arányos lesz a terahertzes tér amplitúdójával, mert az általa létrehozott kettőstörés is lineáris az indukáló tér amplitúdójával.

48. Miért kell az elektro-optikai mintavételezésnél is teljesülnie a fázisillesztési feltételnek? Hogyan tudjuk mérni a THz-es jel időbeli lefutását? Az úgynevezett fázisillesztési feltétel, azt jelenti, hogy az EO kristályban az optikai impulzus csoportsebessége meg kell egyezzen a THz-es jel fázissebességével, így teljesül ugyanis, hogy a lézerimpulzus a kristályon való áthaladása közben a THz-es jeltől származóan végig ugyanakkora elektromos térerősséget érezzen. Így ez a térerősség abban az adott pillanatban jellemzi a TH-es jel amplitúdóját. Időben késleltetve egymáshoz képest a lézernyaláb és a terahertzes jel érkezését letapogatható a THz-es tér amplitúdójának időbeli változása.

49. Milyen viszonyban kell lennie az optikai és a terahertzes tér polarizációjának egymáshoz és a kristály tengelyéhez képest, hogy maximális legyen a detektálható kettőstörés az EO során? A kristályban indukált kettőstörés akkor maximális, ha mind az optikai, mind a terahertzes elektromos tér polarizációja párhuzamos egymással és az [110] irányba orientált kristály 110 irányú tengelyével. A terahertzes tér jelenlétében megjelenő nemlineáris polarizáció merőleges az optikai jel polarizációjára, így a TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt

10

beeső lineárisan polarizált nyalábból az EO kristályon való áthaladás után elliptikusan polarizált nyaláb lesz. Ideális esetben a két komponens közötti fáziskülönbség: 

∙

∙

∙

, ahol nO a törésmutató az optikai frekvencián, r41 az elektro-optikai együttható, L a

közegben megtett úthossz. A próbanyalábból származó detektorokra érkező két komponens intenzitása: 1



és

1

 .

∙  ∝ Tehát a kiegyensúlyozás után érzékelhető különbségük: Ideális esetben a detektorok válaszjele valóban lineáris a terahertzes térerősség pillanatnyi értékével.

50.

Milyen előnyös tulajdonságai vannak a ZnTe kristálynak az EO szempontjából?

A ZnTe kristály THz-es sugárzás generálása szempontjából előnyös tulajdonságai, hogy mind az optikai, mind a THz-es frekvenciákon átlátszó, hogy a 800 nm közelében jól teljesül a sebességillesztési feltétel, és nagy az elektro-optikai együtthatója.

51.

Milyen körülmények korlátozzák az időbeli ~ és ezen keresztül a spektrális felbontást?

(1) A próba lézerimpulzus – igaz nagyon rövid, de – végesen kicsi időbeli szélessége. (2) A nemlineáris szuszceptibilitás diszperziója, azaz frekvenciafüggése. (3) A nem megfelelő illesztés az optikai jel csoportsebessége és a THz-es jel fázissebessége között.

52.

Ismertesse a TDTS mérőrendszer elvi felépítését!

A THz-es sugárzás forrásául rendszerint egy fotovezető kapcsoló vagy egy nemlineáris kristályban létrehozott optikai egyenirányítás szolgál. A femtoszekundumos lézer polarizált fényéből mindkét esetben frekvencia lekonvertálással állítjuk elő a THz-es sugárzást. Detektorként szintén fotovezető antennát vagy elektro-optikai mintavételezést alkalmaznak. Erre a módszerre, mint koherens módszerre jellemző, hogy egy időben mérjük az elektromos térerősség amplitúdóját és fázisát is.

53. Miért szerepel a TDTS elnevezésben az „idő”? Hogyan kapjuk meg az időtérbeli mérésből a frekvenciafüggő spektrumot? A mérés során egy széles spektrumú sub-ps vagy psos időtartamú THz-es impulzus éri a mintát illetve a referenciát. Az átmenő vagy reflektálódó jel időbeli alakja a minta tulajdonságainak megfelelően megváltozik, ezt a referenciajelhez képesti változást figyeljük meg. A reflektált illetve az átmenő jel időbeli lefutását mindkét esetben pumpa-próba méréssel határozzuk meg. Az időbeli jelekből Fourier-transzformációval lehet meghatározni a frekvenciafüggő spektrumokat.

54.

Mutasson be egy PC-vel működő TDTS elrendezést!

A nagyságrendben 100 fs-os lézerimpulzus fénye egy nyalábosztóra érkezik. Egyik része a THz-es sugárzást emittáló forrásra esik, a másik része egy, úgynevezett időkésleltető egység felé halad, amiben a tükrök mozgatásával lehet változtatni az optikai úthosszat. Így változtathatjuk, hogy ez a nyaláb mikor érkezzen a detektorra a másik nyalábágban haladó jelhez képest. A lézernyaláb az emitterből THz-es sugárzást vált ki, ami azután megfelelő nyalábformálás után a mintára érkezik, azon áthaladva, vagy arról reflektálódva újabb nyalábformálás után a detektorra érkezik. A detektor csak a lézerimpulzus ~100 fs-nyi időtartamában lesz érzékeny az érkező THz-es jelre, és az elektromos válaszjelének nagysága arányos lesz az érkező THz-es jel elektromos térerősségének pillanatnyi nagyságával, az amplitúdóval. TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt

11

55. Milyen időbeli felbontást érhetünk el a TDTS mérésben? Hogyan kapjuk meg a mintára jellemző THz-es jel amplitúdó-idő függvényét? Mérnünk kell egy referencián és a mintán átmenő nyalábot. A detektorra érkező „kapcsoló” lézernyalábot időben késleltetve letapogatható a referenciából illetve a mintából jövő jel időbeli alakja. A késleltető egységben a tükrök akár ~1 m-es lépésben mozgathatók, 15 m-nyi elmozdulás 30 m-nyi úthossz változást okoz. Ez a fény terjedési sebességét figyelembe véve a lézerimpulzus detektorra érkezését ~100 fs-mal tolja el. Tehát a referencián és a mintán áthaladó impulzus időbeli alakját általunk választott felbontásban mérjük, ebből a véges számú mérési pontból állítjuk elő az amplitúdó-idő függvényt.

56. Milyen elrendezésben, hogyan tudjuk elektro-optikai mintavételezéssel megmérni egy mintára jellemző THz-es jel időbeli alakját? A referenciáról és a mintáról jövő THz-es jel időbeli változásának mérése is ugyanúgy történik. Elsőként THz-es tér jelenléte nélkül a /4-es lemez forgatásával beállítjuk azt a helyzetet, hogy az EO kristályon áthaladt lineárisan polarizált próba lézernyalábból a lemezen való áthaladás után cirkulárisan poláros fény menjen tovább. Erről akkor lehetünk biztosak, ha a kiegyensúlyozó detektor zérus jelet mutat. Ezután bekapcsoljuk a THz-es forrást, betesszük a nyalábútba a referenciát, illetve a mintát, a detektoron zérustól különböző – a THz-es tér pillanatnyi amplitúdójával arányos – jelet kapunk. Ezután tovább léptetve az időkésleltető egységet, megváltozik az EO kristályra érkező próbaimpulzus és a THz-es jel közötti időkésés, a próbaimpulzus más időpillanatban „látja” a THz-es jelet. A detektoron megjelenő jel most az időeltolásnak megfelelő pillanatbeli térerősséggel arányos értéket mutat. Az időkésleltető egység további léptetésével több időpontban is megmérjük a THz-es jel nagyságát. A mért mérési pontokból összeállított időbeli függvényből Fouriertranszformációval előállítjuk a spektrumot. A referencián és a mintáról jövő jelek spektrumából meghatározzuk a transzmissziót.

57.

Minek a rövidítése és mit jelent a TRTS megnevezés?

Time Resolved Terahertz Spectroscopy, időbontott terahertzes spektroszkópia.

58.

Hogyan működik, mit figyelünk meg a TRTS módszer alkalmazása során?

Tipikusan fotogerjesztést követően, az időben figyeljük meg a mintán átmenő THz-es jel frekvenciafüggését, azaz spektrumát. Az időbeli felbontást a 10-100 fs időbeli szélességű titán-zafir lézerimpulzus teszi lehetővé.


12

59.

Ismertesse a TRTS mérés elvét röviden!

Optikai pumpajel után a változtatható nagyságú pp idő múlva érkező terahertzes próbajel segítségével vizsgáljuk a minta tulajdonságait, illetve azok időbeli változásait. A minta a komplex permittivitásának megfelelően a THz-es jelet késlelteti, és az amplitúdóját csökkenti.

60. Miben különbözik a TRTS által szolgáltatott információ a TDTS-el nyerhető információtól? Milyen időfelbontást tudunk elérni vele? Az időbontott transzmissziós spektrumokat a fotogerjesztést követő 100 fs-1 ns közötti időtartományon tudjuk felvenni. A módszer 200 fs-nál jobb felbontásban tudja követni a frekvenciafüggő komplex permittivitást. A TDTS-sel a minta statikus tulajdonságaira tudunk következtetni. A TRTS mérésekből a közeg tulajdonságainak időbeli fejlődését tudjuk követni.

61. Ismertesse egy TRTS elrendezés főbb elemeit! Az úgynevezett optikai pumpa, terahertzes próba elrendezésben a két részre osztott lézerimpulzus egyik fele frekvenciakétszerezés után, időben késleltetve gerjeszti a mintát. A lézernyaláb másik része terahertz generálásra és detektálásra szolgál. Szükség van egy THz-es forrásra, ez lehet PC, a mintán átmenő terahertzes jel detektálására használhatunk elektro-optikai mintavételezést. A jelek egymáshoz képesti késletetéséről a nyalábok úthosszát változtatni képes, tükrös rendszer gondoskodik.

62.

Hogyan lehet egy TRTS elrendezéssel időbontott méréseket végezni?

Egyik lehetőség, hogy idő doménban figyeljük a terahertzes jel csúcsában (kék kör) bekövetkező változást. A pumpa és a próba közötti időkésleltetést változtatva a fotogerjesztés alatt a transzmisszióban bekövetkező változásból nyerjük az információt az ehhez az időskálához tartozó fotovezetés folyamatáról és a vezetőképesség élettartamáról. A másik mérési eljárással felvehető a pumpa és a próba egy adott időpillanatbeli helyzetéhez tartozó teljes terahertzes hullámforma. Az időtérben mért terahertzes jelből Fouriertranszformációval származik a spektrum. Ezután változtatjuk a pumpa érkezésének idejét, és egy következő időpillanathoz tartozóan mérjük a spektrumot. Ha a terahertzes jel előbb érkezik, mint az optikai impulzus, akkor az áthaladás után a minta abszorpciójának megfelelően késik, és az amplitúdója csökken. Ha az optikai impulzus érkezik előbb, akkor a két jel összehasonlításából a fotogerjesztéshez tartozó optikai állandókat – az abszorpciós együtthatót, a törésmutatót, a vezetőképességet – tudjuk meghatározni.


13

63.

Mit rövidít, mit jelent a TES?

Terahertz Emission Spectroscopy. A terahertzes emissziós spektroszkópia mérési elrendezése bizonyos szempontból nagyon hasonló a TDTS-éhez. De nincs szükség THz-es forrásra, hiszen az maga a minta. A lézernyaláb egy része a nyalábosztás után közvetlenül a mintára érkezik, és az így generált THz-es jelet figyeljük meg egy időkésleltető egységgel és detektorrendszerrel.

64.

Milyen főbb elemekből áll egy TES mérőelrendezés? Melyiknek mi a szerepe?

A lézerből kilépő fénysugarat a nyalábosztó két részre bontja. Az energia nagyjából 99% -a egy időkésleltető egységen keresztül a mintára érkezik, és ott THz-es sugárzást generál. Kisebb része az elektro-optikai mintavételezéssel működő detektor felé megy tovább. A minta után egy polisztirén lappal blokkoljuk a látható fény útját, így nem juthat a detektorrendszerre a gerjesztő fény azon része, amit a minta nem abszorbeált.

65. Miért kell a THz-es emissziós méréseknél figyelembe vennünk a minta – detektor távolságot? A terahertzes sugárzás hullámhossza a milliméteres tartományba esik, és ez összemérhető a mérőrendszerben alkalmazott elemek méretével. Ezért a megfigyelésnél tekintettel kell lennünk arra, hogy a forrástól milyen messzire helyezzük a detektort, azaz közeli-térben (near-field), vagy távoli-térben (far-field) dolgozunk. Mivel nagy sávszélességű, időben egy ciklusú jeleket vizsgálunk, a két régióhoz tartozó távolságok meghatározásánál a hullámhossz mértéke helyett jobb becslést adhatunk egy impulzus térbeli hosszával. Távoli-térben figyelünk meg, ha a

≫

∙

, ahol d a detektor távolsága a mintától, r a látható pumpanyaláb sugara, t0 a THz-es impulzus

időbeli félértékszélessége. Közeli-térben, ha ≪

∙

. Mivel sok esetben

∙

 1 cm,

felvetődik a kérdés, hogy milyen távolságban beszélhetünk távoli-térről? Ebben akkor lehetünk biztosak, ha a d távolságot növelve már nem változik a mért jel alakja. Ez általában 3 cm, vagy még több is. Ritkán adódik olyan lehetőség, hogy a detektort szinte kontaktmódon helyezzük el a mintához képest. Legtöbbször – már csak a pumpanyaláb kis mérete miatt is – a távoli-térben mérjük a jel alakját.

66. Miért nem használhatunk leképező, fókuszáló optikákat a terahertzes emisszió megfigyelésénél? A nyalábformáló eszközök használata megtévesztő eredményekhez is vezethet. Előfordulhat, hogy a jelalak változását, a polarizáció időfüggő változásának véljük, miközben egy szisztematikus mérési hibát, műterméket vittünk be.

67. Milyen előnye és hátránya lehet a közeli-térben való megfigyelésnek a terahertzes emissziós méréseknél? A közeli-térben való megfigyelésnél közvetlenül kapjuk a torzítatlan jelalakot. Egy ilyen mérésnél persze kisebb a jel-zaj viszony értéke a fókuszáló optikák alkalmazásával elérhetőhöz képest, de elkerüljük a diffrakció, illetve az asztigmatizmus okozta torzításokat.


14

68. Milyen paraméterek változásának megfigyelésével nyerhetünk információt a terahertzes emissziós sugárzás megfigyelésével egy minta tulajdonságairól? Egy mintában többféle folyamat következtében keletkezhet THz-es sugárzás miután egy látható fényimpulzussal megvilágítjuk. A különböző folyamatokból származó terahertzes jel intenzitása különböző módon függ, akár a minta felülete és a gerjesztő nyaláb által bezárt szögtől, de a gerjesztő nyaláb polarizációs irányának változása is befolyásolja a keletkező THz-es jel polarizációját. Az adatok értékelése során elemezhetjük a sugárzás keletkezésért felelős folyamatokat, azok természetét.

69. Milyen terahertzes sugárzás kibocsátásával járó folyamatnak lehet jelentősége a biológiai alkalmazásoknál? A molekuláris szintű vizsgálatokban nem nélkülözhető a molekulán belüli töltéstranszfer folyamatok figyelembevétele, magyarázata, mivel ezek mindenféle fajta folyamat kísérői. A töltéstranszfer folyamatok pedig terahertzes jel kibocsátásával járnak együtt. Ilyenek a biológiában: a fotoszintézis, a légzés, vagy más területen: a korrózió, a fotográfia. A széles területű érdeklődés miatt sokféle vizsgálati módszerrel tanulmányozzák őket. Például közvetetten a töltésmozgásban szerepet játszó donor és az akceptor tranziens abszorpciójának vagy látható tartományú emissziójának megfigyelésével. A töltésmozgás közben kibocsátott terahertzes tartományú elektromágneses hullámok megfigyelése azonban a konkrét donor és akceptor figyelembe vétele nélkül a szubpikoszekundumos időskálán közvetlenül is szolgáltat információt a folyamat menetéről.

70.

Milyen előnye lehet a T sugarakkal való képalkotásnak?

A THz-es tartományon a különböző anyagok nagyon különböző tulajdonságokkal bírnak. A fémek nagyon reflektívek, a különböző összetételű vegyszerek jellegzetes spektrumokkal jellemezhetők, a csomagoló anyagok tipikusan átlátszók, a víz nagyon abszorbeál. Tehát az életünkben előforduló, vizsgálni kívánt anyagi összetevők jól megjeleníthetőek a T sugarak segítségével. A már korábban ismert képalkotási technikákkal szemben nagy előnye, hogy semmilyen módon sem káros az emberi szervezetre nézve. Szemben a -~, vagy röntgensugárzással, a THz-es sugárzás nem ionizáló hatású. A látható, és a közeli infravörös tartományhoz képest hosszabb, a 3-100 m közötti hullámhossz szignifikánsan nagyobb a mintákban meglévő szórócentrumok méreténél, így a -4-el arányos szórás intenzitása sokkal kisebb. A képalkotásnál nagyon fontos, minőséget jellemző paraméter a kontraszt, a T-képalkotásnál a minimális szórási háttér miatt ez nagyon jó.

71. Milyen előnyökkel és hátrányokkal jár a képalkotásban, hogy a víz nagymértékben abszorbeál a THz-es tartományon? Hátrány, hogy az 5,6 THz körüli széles abszorpciós csúcs miatt a 70%-ban vizet tartalmazó emberi testen nem tud áthatolni a T sugárzás, igen rövid távolságon elnyelődik. A behatolási mélység bőrben kb. 1 mm, zsírszövetben 6 mm körüli. De éppen ezért a módszer igen érzékeny a víz jelenlétére vagy éppen hiányára. A víztartalom mértéke pedig jelezhet bizonyos elváltozásokat, például tumoros szövetekben, a szövetközti térben nagyobb a víztartalom az egészségesekhez képest, ezek a THz-es képen jól elkülöníthetők egymástól.

72.

Mit értünk passzív és aktív képalkotási módszeren?

A passzív módszer a tárgyról jövő természetes, vagy a tárgy által a környezetből származó reflektált vagy szórt THz-es sugárzást detektálja. Az aktív módszerek valamilyen terahertzes forrást használnak a tárgy megvilágítására. A források elvileg lehetnek szélessávú termális források, de az aktív rendszerek általában koherens forrásokat használnak. A forrás típusától függően beszélhetünk folytonos (continuous wave, cw) vagy impulzusokat használó rendszerekről.

73. Ismertessen egy a kereskedelmi forgalomban is lévő, kompakt, folytonos sugárzást felhasználó képalkotó elrendezést! A két közel egyenlő frekvenciájú lézerdiódából származó folytonos lézernyalábból a félvezető antennában optikai keveréssel előállítjuk elő a folytonos terahertzes sugárzást. Detektorként szintén félvezető antenna szolgál, amiben a próbanyalábként kicsatolt lézernyalábok generálják a TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt

15

töltéshordozókat. A terahertzes jel és az optikai jel közötti fáziskülönbség változtatásával, azaz a próbanyaláb időbeli késleltetésével letapogatható a THz-es jel elektromos térerősségének időbeli változása. A módszer segítségével az amplitúdón kívül a fázisról is nyerünk információt, azaz mindkettő felhasználható a képpontok előállításához. A nagy dinamikus tartomány mellett, elég érzékeny módszer, mert a szűksávú koherens sugárzás detektálásával a méréseknél a környezet háttérsugárzása kiküszöbölhető.

74. Ismertessen egy impulzusforrást alkalmazó terahertzes képalkotó elrendezést! Mi az előnye a folytonos technikákhoz képest? Ez a képalkotási technika időben rövid, azaz szélessávú THz-es impulzusokkal dolgozik. Az elrendezés az időtartománybeli spektroszkópiai elrendezésen (TDTS) alapul, nagyon sokoldalúan használható, többféle információt is szolgáltathat. A mintán átmenő, vagy akár a reflektálódó jel is megfigyelhető. A hullámforma amplitúdó és fázis adatainak analizálásából származtatható a fókusz síkban létrejövő kép. A tárgyat a teljes kép létrejöttéhez mozgatni kell, az úgynevezett raster-scan eljárás során pontról pontra készülnek a képpontok. A 3D-ben is működő eljárás tomográfiai módszerként alkalmazható. A koherens detektálás ennél a módszernél is lehetővé teszi, hogy a környezetben meglévő inkoherens terahertzes sugárzás ne kerüljön be háttérzajként, így nagyon érzékeny módszer. Precíz mérési technikával az egyciklusú, azaz széles frekvenciasávú impulzusokkal dolgozva, széles frekvenciatartományban ismerjük meg a minta abszorpcióját és a törésmutatóját. Ráadásul egyszerre, egy mérésből, mivel a koherens detektálás segítségével az amplitúdót és a fázist, azaz az elektromos térerősség-idő függvényt határozzuk meg. Ebből az időtérben megismert függvényből Fourier-transzformációval származtatjuk a spektrumot. Nagy előnye a módszernek, hogy az abszorpció és a törésmutató ismerete analitikai azonosítást is lehetővé tesz a képi megjelenítés mellett.

75.

Ismertessen egy valós idejű képalkotási elrendezést!

A mintáról jövő terahertzes és az optikai próbanyalábot egy elektro-optikai mintavételező detektoron keresztül egy CCD kamerával figyeljük meg, Az elrendezésben a próbaimpulzusként használt femtoszekundumos közeli infravörös hullámhosszú lézernyaláb polarizációja változik a terahertzes tér függvényében, tehát a terahertzes frekvenciák helyett közeli infravörös hullámhosszú fényt kell érzékelni. Mivel léteznek már ilyen nagy formátumú CCD kamerák, a képpontok előállításához nem kell a mintát szkennelni.

76. Milyen képalkotási módszerrel, miért, hogyan lehet „megkerülni” az elektromágneses hullámok elhajlásából származó felbontási korlátot? Ha a leképezés során a tárgy távolsága sokkal nagyobb az alkalmazott sugárzás hullámhosszánál, akkor úgynevezett távoli-tér megfigyelésről beszélünk. Ilyen megfigyelésnél a maximális felbontás a hullámhossz nagyságrendjébe esik. A THz-es frekvenciájú elektromágneses sugárzás hullámhossza: 30 m  1 mm. Sok vizsgálni kívánt objektum esetén ez nem elegendő. A távoli-térben való leképezés korlátait az úgynevezett közeli-tér leképezéssel tudjuk átlépni. Az objektumok felszínén lévő atomok elektromos tere szoros kölcsönhatásban van egymással, az így kialakuló töltéseloszlást nevezzük közeli-tér eloszlásnak. Egy a felületre beeső elektromágneses hullám elektromos tere minden egyes helyi rezonátorral, dipólussal egyenként hat kölcsön. Ezen elemi kölcsönhatások interferenciájának az eredménye, amit a távoli-térben megfigyelhetünk, így azonban már csak a hullámhossz nagyságrendjéből származó információhoz jutunk. A közeli-tér eloszlást TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt

16

lokálisan megfigyelve juthatunk a hullámhossz alatti tartományból információhoz. A közeli-tér mikroszkópia képes ezeknek a lokális tereknek az atomi szintű feltérképezésére.

77.

Mi a közeli-tér megfigyelésű képalkotás elve!

Az első alkalmazásokban egy a hullámhossznál kisebb méretű hátulról megvilágított apertúrát – egy kisméretű tölcsér alakú kúpot – mozgattak a felszín közelében nagyon kis távolságra. Ez az apertúra alapú mikroszkópia a hullámhossz tizedrésznyi – vagy még ennél is jobb – felbontásra képes. Így azonban a mégoly nagy teljesítmény is jelentősen lecsökken a nyíláson való átjutás során. A teljesítmény csökkenésének mértéke a nyílás méretének – felbontás megfelelő nagyságú növeléséhez szükséges – csökkentésével hatványozottan nő. Ráadásul az ilyen kisméretű kúp elkészítése elég nagy nehézségbe ütközik. Mindezek miatt később elterjedt az atomerőmikroszkópban már bevált – éppen ezért a kereskedelmi forgalomban könnyen elérhető – kisméretű tű. Ez a fémből készült kis csúcs a terahertzes sugárzást ráirányítva, szórócentrumként szolgál. Az apertúra átmérője tipikusan néhányszor ~100 m-nyi, a tű hegyének görbületi sugara néhányszor ~10 nmnyi. A felszín feletti szkennelés mindkét megoldásnál néhányszor ~10 nm-nyi, ez a m és a nm közötti magasságok megkülönböztetését teszi lehetővé. Az első esetben közeli-térben, a másik esetben távoli-térben figyeljük meg a mintán átmenő, illetve arról szórt sugárzást. A közeli-tér képalkotást alkalmazó elrendezések között a terahertzes sugárzást előállító források között egyaránt előfordul szélessávú, a megfigyelésben TDTS alapú, és hangolható keskenysávú folytonos forrást alkalmazó is.


17

Terahertzes spektroszkópia a biológiában

Recommend Documents