Система автоматизации для построения изображений объектов в терагерцовом диапазоне частот

Фрагмент 3-го выпуска справочника "Кто есть кто в робототехнике"

За последние 10-20 лет были достигнуты значительные успехи в области генерации и детектирования сверхкоротких (на уровне длительности от одного до нескольких периодов) мощных терагерцовых импульсов оптическими методами. Разработанная техника позволила на порядки повысить отношение сигнал/шум в системах терагерцового радиовидения и разработать основы так называемой time domain спектроскопии, при которой измеряются и амплитудные и фазовые характеристики терагерцового излучения, прошедшего через исследуемое вещество. Это позволяет измерять как действительную, так и мнимую части диэлектрической проницаемости в широком частотном диапазоне, типичном для короткого импульса терагерцового излучения, и снимать спектральные «отпечатки» различных молекул, каждая из которых характеризуется своим типичным набором спектральных линий. В материалах прошлогодней конференции была рассмотрена автоматизированная система для определения спектров в терагерцовом диапазоне частот при использовании фемтосекундных лазеров с относительно низкой (порядка нДж) энергией в импульсе. В данной работе Вашему вниманию предлагается система автоматизации для построения изображений в терагерцовом диапазоне частот при использовании аналогичных лазеров.

Схема экспериментальной установки для генерации и регистрации дальнего ИК излучения с помощью фемтосекундных лазерных импульсов. Обозначения на схеме: СД - светоделитель; Г и П - соответственно генератор и приемник низкочастотного излучения: кристаллы ZnТе толщиной 1 мм и ориентацией <110>; Ф - фильтр из фторопласта ФТ-4; О - двухкоординатная подвижка с размещенным на ней образцом ; λ/4 - фазовая пластинка; ПВ - призма Волластона.

Экспериментальная установка состоит из фемтосекундного лазера, управляемой компьютером линии задержки, электрооптического кристалла для генерации терагерцового излучения за счет оптического выпрямления лазерного излучения (пластинка телурита цинка толщиной 1 мм), системы параболических зеркал для коллимации и фокусировки терагерцового пучка, кристалла для электрооптического детектирования терагерцового излучения (пластинка ZnТе толщиной 1 мм) и акустооптического затвора для модуляции лазерного излучения. При помощи делительной пластинки из выходного излучения фемтосекундного лазера формируется мощный генерирующий и слабый зондирующий оптические пучки. Измерение временной формы терагерцового импульса осуществляется изменением временной задержки между генерирующим и зондирующим оптическими пучками. Используется балансная схема детектирования, состоящая из четвертьволновой пластины, призмы Волластона и двух быстрых фотодиодов. Разностный сигнал с фотодиодов после усиления направляется в компьютер для дальнейшей обработки. Автоматизированная система для построения изображений объектов в терагерцовом диапазоне частот необходима в данном случае для организации управления линией задержки, синхронным усилителем и двухкоординатной подвижкой, на которой размещается объект исследования. 

Оборудование, используемое при создании системы автоматизации, включает: компьютер на базе процессора Реntium IV; усилитель SR.844 фирмы Stanford Research Sуstеms, применяемый для измерения входного сигнала; обмен данными между усилителем и компьютером осуществляется через интерфейс RS-232 с помощью драйверов NI-VISА (3.1); подвижку серии 8МТ-168 производства фирмы Stаndа, необходимую для изменения времени задержки пробного лазерного импульса относительно начала терагерцового излучения с целью последовательного от импульса к импульсу измерения амплитуды электрического поля; контроллер 8SМСС РСI1 этой же фирмы для управления шаговыми двигателями (библиотека функций LаbVIЕW для работы с контроллером поставляется фирмой-производителем); двухкоординатную подвижку с блоком управления (разработка ИПФ РАН) для перемещения объекта в терагерцовом излучении, связь с компьютером осуществляется через параллельный порт.

Программное обеспечение автоматизированной системы разработано в среде LabVIEW (7.1) с использованием технологии виртуальных приборов Nаtiоnаl Instruments и состоит из следующих виртуальных инструментов.

Измерение ТНZ импульса - управляющая программа системы.

Инициализация SR844 - для настройки режимов работы синхронного усилителя SR844.

Инициализация 8SМСС- для задания параметров управления перемещением зеркал, формирующих линию задержки.

Поиск максимума - для фазировки измеряемого и опорного сигналов.

Измерение сигнала - для управления положением зеркал линии задержки и измерения величины электрического поля ТНz импульса в каждом их положении.

Управление - для управления двухкоординатной подвижкой и измерения сигнала с синхронного усилителя.

Запись на диск - для сохранения результатов измерений.

Подпрограмма для построения и просмотра изображений.

В качестве примера результат, полученный при сканировании тефлонового кольца, представлен на рисунке. Изображение кольца из тефлона и его проекции в терагерцовом и оптическом диапазоне длин волн, соответственно

Интуитивно понятное меню позволяет физику-пользователю легко ориентироваться в системе при проведении экспериментов. Минимальный шаг при изменении длины линии задержки составляет 0,125 мкм, при перемещении двухкоординатной подвижки по оси х - 3,4 мкм по оси у- 1,5 мкм. Усилитель SR844 фирмы Stanford Research Sуstеms позволяет проводить измерения сигнала в диапазоне от 25 кГц до 200 МГц. Время проведения единичного эксперимента зависит от выбранных шагов и количества точек по соответствующим осям (максимальное перемещение по оси х -25 мм , по оси у - 20 мм и составляет, например, при сканировании образца 20 х 20 мм с шагом 0,5 мм по обеим осям ~ 20 мин. Данные о положении объекта передаются в программу через параллельный порт с помощью виртуального инструмента Раrаllеl Роrt Rеаd аnd Write Lоор.vi. Для вывода трехмерных изображений и их проекций используется стандартная подпрограмма 3D Surfaсе.vi. Пространственное разрешение при построении двумерных изображений определяется шириной перетяжки терагерцового пучка. Для ее измерения мы сканировали экран (knife-еdgе) в фокальной плоскости при фиксированной задержке между импульсом накачки и пробным импульсом (соответствующей максимальному сигналу на синхронном усилителе). В предположении о гауссовом характере распределения терагерцового поля соответствующая ширина перетяжки оказалась равной около 1 мм. Для построения изображений образцы помещаются непосредственно на двухкоординатной подвижке, управляемой от компьютера. Изображение строится по величине проходящего терагерцового излучения при сканировании образца в фокальной плоскости терагерцового пучка при фиксированной временной задержке между генерирующим и зондирующим лазерными пучками. По докладу Ахмеджанова Р. А., Илякова Е. И., Постниковой А. С., Шишкина Б. В. на V Международной научно-практической конференции "Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments"

"Черный ящик" в автомобиле: технологии западных автоконцернов "отрихтуют" водителей  - http://www.liveinternet.ru/users/albrs/post402370094/