Терагерцовый (ТГц) спектрометр

Терагерцовый (ТГц) спектрометр реального времени T-SPEC

  • Широкий спектральный диапазон до 5 ТГц
  • Cпектральное разрешение: 1 ГГц
  • Динамический диапазон: > 90 дБ на 0.4 ТГц
  • Скорость сбора данных до 10 спектров/с
  • Высокое пространственное разрешение ТГц изображений
  • Докомплектация функциональными модулями

Производитель EKSPLA

Особенности

  • Терагерцовый (ТГц) спектрометр для исследований во временной области (THz-TDS)
  • Широкий спектральный диапазон до 5 ТГц
  • Отличное спектральное разрешение: 1 ГГц
  • Высокий динамический диапазон: > 90 дБ на 0.4 ТГц
  • Скорость сбора данных в режиме реального времени, до 10 спектров/с
  • «Бесподшипниковый» дизайн быстрой линии задержки: практически неограниченный срок службы
  • Режимы измерений на пропускание и на отражение
  • Получение ТГц изображения с высоким пространственным разрешением
  • Полное управление от ПК
  • Простой и понятный интерфейс управления

Применение

  • Терагерцовая (ТГц) спектроскопия на пропускание и отражение
  • Исследование химического состава веществ
  • Анализ времени жизни и подвижности носителей зарядов в полупроводниках
  • Определение диэлектрических свойств и комплексного показателя преломления
  • Изучение метаматериалов
  • Неразрушающий медицинский контроль
  • Измерения толщины

Терагерцовый (ТГц) спектрометр для исследований во временной области серии T-SPEC, предлагаемый компанией Ekspla, является мощным инструментом для проведения различного рода научных исследований. Благодаря простой и надежной конструкции прост в использовании и легко адаптируется к индивидуальным требованиям. Уникальная конструкция микрополосковой фотопроводящей антенны, выполненной на основе структуры GaAs, выращенной при низкой температуре, обеспечивает перекрытие в широком спектральном диапазоне и расширенный динамический диапазон.

Система имеет две линии задержки: быструю и медленную. Быстрая линия сканирования позволяет проводить сканирование в реальном времени со скоростью сбора данных 10 спектров / с и временным окном сканирования 110 пс. Усреднением собранных спектров можно увеличить динамический диапазон до 70 дБ и расширить спектральный диапазон до 4.5 ТГц. Линия медленной задержки позволяет осуществлять комбинация временных окон сканирования. Таким образом, в приборе может быть достигнуто разрешение порядка 2.5 ГГц. Быстрая линия сканирования разработана для работы без подшипников и использует муфту на магнитном приводе, который делает её чрезвычайно надежной и значительно продлевает срок службы.

Терагерцовый (ТГц) спектрометр реального времени серии T-SPEC является идеальным выбором для получения ТГц изображений. Система T-SPEC позволяет сканировать  образцы размером до 25 х 25 мм с пространственным разрешением приблизительно 1 мм. Полученные данные содержат информацию как о структуре, так и о спектроскопических характеристиках образца.

THz-TDS спектрометр имеет вакуумированный корпус с вмонтированными штуцерами для ввода газовых смесей. Он может быть использован в качестве продувочного ящика в экспериментах, когда требуются определенные окружающие условия (азот или сухой воздух). Большая область для размещения образцов позволяет с легкостью включить в конструкцию дополнительное оборудование (например, криостат или нагреватель). По специальному запросу мы можем вмонтировать данное оборудование в корпус прибора, гарантируя хорошую степень вакуумирования, виброизоляцию и автоматизацию действий.

Основные принципы ТГц спектроскопии временного разрешения

Терагерцовые (ТГц) и суб-ТГц частоты (100 ГГц - 10 ТГц) электромагнитного спектра связывают микроволновый и инфракрасный диапазоны частот. ТГц волны проникают в диэлектрические материалы, такие как бумага или пластик, отражаются от материалов со свободными электронами (металлы) и поглощаются молекулами с определенными уровнями вибрации в пределах терагерцового диапазона.

Терагерцовая спектроскопия (ТГц-TDS) поглощения или отражения, получение изображений биологических и других объектов, ТГц томография и спектроскопия ТГц зондирования являются предметами горячего обсуждения на научных конференциях, на которых поднимаются вопросы о возможности использования данного типа спектроскопии в таких областях, как производство полупроводников, медицинская техника и средства обеспечения безопасности. Типичная схема установки терагерцовой (ТГц) спектроскопии (ТГц-TDS) показана на рис. 1.

Схема терагерцового спектрометра T-SPEC
Рис.1. Пример схемы экспериментальной установки THz-TDS спектроскопии (time domain spectroscopy).

После прохождения через образец, благодаря одинаковой длине свободного пространства, суб-пикосекундные импульсы терагерцового (ТГц) излучения детектируются. Сравнение Фурье спектров форм этих импульсов дает спектры поглощения исследуемого образца.

Выходные данные терагерцового спектрометра T-SPEC
Рис.2. Типичный вид выходных данных терагерцового (ТГц) спектрометра реального времени T-SPEC (измерено в окружающей среде) – форма сигнала ТГц импульса и его Фурье спектр.

Примеры ТГц спектров

Измерения терагерцового спектрометра
Рис.3. Измерение коэффициентов поглощения RDX и PETN.

ТГц компоненты

Основными компонентами любой терагерцовой системы являются ТГц эмиттер и детектор излучения. ТГц эмиттер и детектор компании Ekspla имеют микрополосковую антенну фоторезистора, выращенную на GaAs (LT-GaAs) подложке при низкой температуре. Терагерцовое (ТГц) излучение собирается и коллимируется встроенной полусферической кремниевой линзой, установленной на платформе XY. Исполнение фотопроводящей антенны зависит от подвижности носителей и времени прохождения сигнала в полупроводниковых слоях. LT-GaAs является одним из лучших материалов для ТГц приложений, благодаря высокой подвижности носителей, быстрого времени захвата носителей, высокому напряжению пробоя и высокому сопротивлению. Технология роста LT-GaAs позволяет контролировать жизнь фотовозбужденных носителей в очень широком диапазоне: от менее 100 фс до 100 пс. Геометрия фотосопротивления антенны, параметры кремниевых линз, а также свойства эпитаксиальных слоев LT-GaAs оптимизированы для максимальной эффективности выходного терагерцового (ТГц) излучения, сохраняя при этом оптимальную пропускную способность.

В результате типичное значение излучаемой мощности терагерцового (ТГц) излучения превышает несколько мВт при накачке высокочастотным лазером с выходной мощностью 30 мВт и длительностью импульса 100 фс. Пропускная способность системы обнаружения превышает 700 ГГц с полезным спектральным диапазоном 0.1-3.5 ТГц. Имеются версии для различных типов лазеров накачки.


Рис. 4. ТГц эмиттер и детектор

THz-TDS спектрометр оборудуется двумя спектроскопическими модулями для измерений пропускания и отражения. Каждый модуль имеет моторизированный манипулятор для образца. Данная особенность позволяет производить потоковые измерения образцов без необходимости физического доступа внутрь самого прибора. Модуль отражения имеет удобную вертикальную схему, в которой ТГц луч падает на образец снизу и отражается обратно. В данном случае образцы можно быстро заменять, просто снимая их с предметного столика. Другой отличительной особенностью является то, что система не требует никаких настроек как при смене образцов, так и при смене измерительных модулей.

Программное обеспечение

Автономное программное обеспечение (ПО) поставляется вместе с устройством. Оно имеет встроенные инструменты для полного управления системой, анализ спектров поглощения и пропускания, визуализация 2D изображений с возможностью проведения спектрального анализа. ПО позволяет проводить мониторинг сигнала и спектра в режиме реального времени (полезно для настройки системы), а также усреднение до 512 спектров для увеличения динамического диапазона. Исходные данные могут быть экспортированы в файл для последующего анализа.

Программное обеспечение
Рис. 5. Главное окно программного обеспечения (изображение лезвия (размер 97 x 97 пикселей) полученное в режиме изображения на частоте 1 ТГц

Постройте свой собственный Терагерцовый (ТГц) спектрометр с временным разрешением

В качестве совершенно гибкого и экономически эффективного решения, Ekspla предлагает комплексную терагерцовую систему. Доступны четыре стандартные конфигурации, оптимизированные для измерения пропускания, отражения, формирование изображения или для проведения измерений накачка-сигнал. Все они могут быть легко заменены и изменены. Любая другая дополнительная конфигурация может быть заказана изначально или в качестве будущего обновления.

Стандартный комплекс терагерцовой (ТГц) спектроскопии включает в себя:

  • ТГц эмиттер и детектор
  • Оптика сопряжения излучения лазера накачки
  • Моторизованная медленная линия задержки с контроллером
  • Зеркала,  направляющие ТГц луч
  • Держатель образца
  • Синхронный усилитель
  • Программное обеспечение LabVIEW для сбора данных

Опционно:

Опции

Опция измерения на отражения Позволяет получать спектр отражения
Версия с накачкой импульсами длительностью 20 фс Позволяет использовать оптические импульсы длительностью менее 50 фс для накачки эмиттера и детектора

Пример пользовательской конфигурации:

Пример пользовательской конфигурации ТГц спектрометра T-SPEC

Приветствуются заявки на кастомные версии!

Технические характеристики

Параметр T-SPEC 800 T-SPEC 1000
Используемый спектральный диапазон > 4.5 ТГц > 3.5 ТГц
Динамический диапазон > 90 дБ на 0.4 ТГц >70 дБ на 0.4 ТГц
Скорость обработки информации 10 сканов/с
Спектральное разрешение
Быстрое сканирование 8,6 Ггц
Быстрое + медленное сканирование ~1 ГГц
Диапазон сканирования
Быстрое сканирование 116 пс
Быстрое + медленное сканирование 928 пс
Диаметр пучка на образце ~2 мм при 0,4 ТГц
Конфигурация Пропускание / отражение (перпендикулярное)
Интерфейс подключения USB 2.0
Габаритные размеры 560 × 520 × 202 мм