RU186068U1

RU186068U1 - Sapphire cell for intra-wave terahertz spectroscopy

Info

Publication number: RU186068U1
Application number: RU2018135318U
Authority: RU
Inventors: Глеб Михайлович Катыба; Ирина Алексеевна Шикунова; Ирина Николаевна Долганова; Владимир Николаевич Курлов; Кирилл Игоревич Зайцев
Priority date: 2018-10-05
Filing date: 2018-10-05
Publication date: 2018-12-28

Abstract

Полезная модель относится к терагерцовой спектроскопии. Сапфировая ячейка для внутриволноводной терагерцовой спектроскопии содержит ТГц волновод в виде стержня с каналами, с входным и выходным торцами, при этом в качестве ТГц волновода используется сапфировый терагерцовый фотонно-кристаллический волновод с центральным волноводным каналом, в котором расположено анализируемое вещество. Технический результат заключается в обеспечении возможности спектральных измерений при внутриволноводном детектировании с использованием терагерцового излучения, расширение диапазона условий измерений, включая измерения при температурах вплоть до 2000°С, в большом диапазоне давления, в химически агрессивных средах. 4 ил.The utility model relates to terahertz spectroscopy. The sapphire cell for intra-wave terahertz spectroscopy contains a THz waveguide in the form of a rod with channels, with input and output ends, while a THz waveguide uses a sapphire terahertz photonic crystal waveguide with a central waveguide channel in which the analyte is located. The technical result consists in providing the possibility of spectral measurements during in-waveguide detection using terahertz radiation, expanding the range of measurement conditions, including measurements at temperatures up to 2000 ° C, in a wide pressure range, in chemically aggressive environments. 4 ill.

Description

Предлагаемая полезная модель относится к области измерений физических свойств веществ, а именно терагерцовой (ТГц) спектроскопии, и может быть применена для характеризации веществ в биомедицине, науке о материалах и т.д.The proposed utility model relates to the field of measuring the physical properties of substances, namely terahertz (THz) spectroscopy, and can be used to characterize substances in biomedicine, material science, etc.

Для импульсной ТГц спектроскопии может быть использован фотонно-кристаллический (ФК) ТГц волновод, представляющий собой сапфировый стержень с системой протяженных каналов, образующих фотонный кристалл для данного типа электромагнитного излучения, волновод имеет входной и выходной торцы. [Патент РФ №2601770 «Сапфировый терагерцовый фотонно-кристаллический волновод» Авторы: Курлов В.Н., Шикунова И.А., Зайцев К.И., Юрченко C.O., Карасик В.Е., Опубликован: 14.10.16, бюлл. №31]. Для передачи ТГц излучения через данный волновод, широкополосное импульсное ТГц излучение фокусируется оптической системой на центр его входного торца, после чего, в волноводе формируются устойчивые моды ТГц излучения, локализованные в центральном волноводном канале устройства. Данный волновод предназначен для передачи широкополосного ТГц излучения с входного торца на выходной торец с низкими потерями и околонулевой дисперсией.For pulsed THz spectroscopy, a THz photonic crystal (FC) waveguide can be used, which is a sapphire rod with a system of extended channels forming a photonic crystal for a given type of electromagnetic radiation; the waveguide has an input and output ends. [RF patent No. 2601770 “Sapphire terahertz photonic crystal waveguide” Authors: Kurlov V.N., Shikunova I.A., Zaitsev K.I., Yurchenko C.O., Karasik V.E., Published: 10/14/16, bull. No. 31]. To transmit THz radiation through a given waveguide, broadband pulsed THz radiation is focused by the optical system to the center of its input end, after which, stable THz radiation modes are formed in the waveguide, which are localized in the central waveguide channel of the device. This waveguide is designed to transmit broadband THz radiation from the input end to the output end with low loss and near-zero dispersion.

Известна ячейка для внутриволноводного детектирования с использованием терагерцового излучения. Ячейка представляет собой ТГц волновод в виде полиэтиленового стержня, с центральной волноводной частью, окруженной каналами, так что тонкие перегородки между каналами поддерживают центральную волноводную часть. Волновод имеет входной и выходной торцы ["Label-free bacteria detection using evanescent mode of a suspended core terahertz fiber" A. Mazhorova, A. Markov, A. Ng, R. Chinnappan, O. Skorobogata, M. Zourob, and M. Skorobogatiy Optics Express 2012, Vol. 20, Iss. 5, pp. 5344-5355]. ТГц излучение распространяется преимущественно в пределах центральной волноводной части, при этом малая часть излучения распространяется в воздушной оболочке в каналах в виде затухающих мод. При размещении анализируемого вещества в каналах данного волновода происходит увеличение общих потерь волновода за счет увеличения энергии затухающих оболочечных мод. Использование данной ячейки позволяет увеличить протяженность зоны взаимодействия ТГц излучения с анализируемым веществом, что приводит к повышению чувствительности ТГц детектирования. Недостатком данной ячейки является невозможность спектральных измерений, что обусловлено высокой дисперсией используемого ТГц волновода, зависимостью его характеристик от изменения температуры, деформаций и других внешних условий измерений.Known cell for intra-wave detection using terahertz radiation. The cell is a THz waveguide in the form of a polyethylene rod, with a central waveguide part surrounded by channels, so that thin partitions between the channels support the central waveguide part. The waveguide has inlet and outlet ends ["Label-free bacteria detection using evanescent mode of a suspended core terahertz fiber" A. Mazhorova, A. Markov, A. Ng, R. Chinnappan, O. Skorobogata, M. Zourob, and M. Skorobogatiy Optics Express 2012, Vol. 20, Iss. 5, pp. 5344-5355]. THz radiation propagates mainly within the central waveguide part, while a small part of the radiation propagates in the air envelope in the channels in the form of damped modes. When placing the analyte in the channels of this waveguide, an increase in the total losses of the waveguide occurs due to an increase in the energy of the damped cladding modes. Using this cell allows you to increase the length of the interaction zone of THz radiation with the analyte, which leads to an increase in the sensitivity of THz detection. The disadvantage of this cell is the impossibility of spectral measurements, which is due to the high dispersion of the used THz waveguide, the dependence of its characteristics on temperature changes, strains and other external measurement conditions.

Техническим результатом полезной модели является возможность спектральных измерений при внутриволноводном детектировании с использованием терагерцового излучения, расширение диапазона условий измерений, включая измерения при температурах вплоть до 2000°С, в большом диапазоне давления, в химически агрессивных средах и др.The technical result of the utility model is the possibility of spectral measurements during in-waveguide detection using terahertz radiation, expanding the range of measurement conditions, including measurements at temperatures up to 2000 ° C, in a wide pressure range, in chemically aggressive environments, etc.

Технический результат достигается за счет того, что сапфировая ячейка для внутриволноводной терагерцовой спектроскопии, представляет собой терагерцовый волновод в виде стержня с каналами, с входным и выходным торцами, в котором в качестве терагерцового волновода используется сапфировый терагерцовый фотонно-кристаллический волновод с центральным волноводным каналом, в центральном волноводном канале расположено анализируемое вещество.The technical result is achieved due to the fact that the sapphire cell for intra-wave terahertz spectroscopy is a terahertz waveguide in the form of a rod with channels, with input and output ends, in which a sapphire terahertz photonic-crystal waveguide with a central waveguide channel is used as a terahertz waveguide the analyte is located in the central waveguide channel.

При использовании данной ячейки, с анализируемым веществом взаимодействует существенная доля распространяющегося по волноводу ТГц излучения в виде его основной и высших мод, что приводит к повышению чувствительности ТГц детектирования.When using this cell, a significant proportion of the THz radiation propagating through the waveguide in the form of its main and higher modes interacts with the analyte, which leads to an increase in the sensitivity of THz detection.

Благодаря малому поглощению сапфира в ТГц диапазоне и работе фотонно-кристаллической структуры, волновод обладает собственными низкими потерями и дисперсией ТГц излучения, что позволяет не только отслеживать изменение интегральных потерь волновода, но и регистрировать изменение спектральных характеристик при введении анализируемого вещества в каналы ячейки.Due to the small absorption of sapphire in the THz range and the work of the photonic crystal structure, the waveguide has its own low loss and dispersion of THz radiation, which allows not only to track the change in the integral losses of the waveguide, but also to record the change in spectral characteristics when the analyte is introduced into the cell channels.

Так как в ячейке используется волновод, изготовленный из сапфира, то внутриволноводную ТГц спектроскопию с данной ячейкой можно проводить в широком диапазоне температуры и давления, при контакте с агрессивными средами. Ячейка может быть подвержена любому типу очистки и стерилизации без изменения ее рабочих характеристик.Since a waveguide made of sapphire is used in the cell, THz in-waveguide spectroscopy with this cell can be carried out in a wide range of temperature and pressure, in contact with aggressive media. The cell can be subjected to any type of cleaning and sterilization without changing its performance.

Полезная модель иллюстрируется рисунками и примером реализации.The utility model is illustrated by drawings and an example implementation.

Фиг. 1 Схема сапфировой ячейки для внутриволноводной терагерцовой спектроскопииFIG. 1 Diagram of a sapphire cell for intra-wave terahertz spectroscopy

Фиг. 2 Схема внутриволноводной ТГц спектроскопии в частном случае полезной моделиFIG. 2 Scheme of intra-wave THz spectroscopy in a particular case of a utility model

Фиг. 3 Изменение спектров пропускания сапфирового волновода с нитритом натрия (NaNO₂), взятого в различном количестве, при повышении температуры.FIG. 3 Changes in the transmission spectra of a sapphire waveguide with sodium nitrite (NaNO ₂ ), taken in various quantities, with increasing temperature.

Фиг. 4 Температурные зависимости интегрального пропускания сапфирового волновода с нитритом натрия (NaNO₂), взятого в различном количестве.FIG. 4 Temperature dependences of the integrated transmission of a sapphire waveguide with sodium nitrite (NaNO ₂ ), taken in various quantities.

Сапфировая ячейка для внутриволноводной ТГц спектроскопии 1 представляет собой терагерцовый волновод с входным торцом 2 и выходным торцом 3, центральным каналом для размещения анализируемого вещества 4 и системой каналов 5, образующих фотонно-кристаллическую структуру.The sapphire cell for THz intra-waveguide spectroscopy 1 is a terahertz waveguide with an input end 2 and an output end 3, a central channel for accommodating the analyte 4 and a system of channels 5 that form a photonic crystal structure.

Работа устройства иллюстрируется примером. Ячейку применяли для детектирования фазового перехода первого рода (плавления) нитрита натрия.The operation of the device is illustrated by an example. The cell was used to detect a first order phase transition (melting) of sodium nitrite.

Для проведения внутриволноводной ТГц спектроскопии в качестве ячейки использовали сапфировый ТГцволновод с 30 продольными каналами диаметром 1,6 мм, каждый из которых расположен в узле гексагональной решетки с периодом 2,8 мм, образуя ФК структуру вокруг центрального канала диаметром 7,2 мм. Данный волновод характеризуется низкими потерями и дисперсией ТГц излучения в спектральном диапазоне от 0.2 до 1.2 ТГц. Дисперсия в диапазоне 0.65-1.2 ТГц мала и изменяется в пределах 0.061-1⋅ps/(THz⋅cm). Излучение распространяется по волноводу преимущественно в виде двух низших мод НЕ11 и НЕ21, где НЕ11 локализована в приосевой области центрального канала, а НЕ21 занимает остальной объем центрального канала волновода.To conduct THz-waveguide spectroscopy, a sapphire THz-waveguide with 30 longitudinal channels 1.6 mm in diameter, each of which is located in a hexagonal lattice site with a period of 2.8 mm, forming a photonic crystal structure around a central channel with a diameter of 7.2 mm, was used as a cell. This waveguide is characterized by low THz loss and dispersion in the spectral range from 0.2 to 1.2 THz. The dispersion in the range 0.65-1.2 THz is small and varies in the range 0.061-1⋅ps / (THz⋅cm). The radiation propagates through the waveguide mainly in the form of the two lower modes HE11 and HE21, where HE11 is localized in the near-axis region of the central channel, and HE21 occupies the remaining volume of the central channel of the waveguide.

На входной торец 2 данной ячейки 1 фокусировали широкополосное ТГц излучение от источника ТГц излучения 6, с помощью фокусирующих линз 7. На выходе с помощью приемника ТГц излучения 8 регистрировали спектр прошедшего ячейку излучения, собранного фокусирующими линзами 9. Далее волновод нагревали на определенную температуру с помощью нагревателя 10 и повторяли измерения.Broadband THz radiation from a THz radiation source 6 was focused on the input end 2 of this cell 1 using focusing lenses 7. At the output using a THz radiation detector 8, the spectrum of the transmitted radiation of the cell collected by the focusing lenses 9 was recorded. Next, the waveguide was heated to a certain temperature using heater 10 and repeated measurements.

После того, как измерения с ячейкой без вещества проводили во всем требуемом диапазоне температур, на стенках волновода высаживали NaNO₂ 11, и повторяли измерения при разных температурах, как описано ранее. Циклы измерений проводили для NaNO₂, взятого в количестве 10, 20 и 30 мг. Спектры прошедшего волновод излучения при повышении температуры демонстрировали заметные изменения в области температуры плавления нитрита натрия, которая составляет 271°С (Фиг. 3). Полученные зависимости изменения интегрального пропускания волновода при повышении температуры существенно отличались для вещества, взятого в различном количестве, в том числе обнаруживая плавление нитрита натрия при достаточно малом количестве исходного вещества (10 мг).After measurements with a cell without a substance were carried out in the entire required temperature range, NaNO ₂ 11 was deposited _{on the} waveguide walls, and measurements were repeated at different temperatures, as described previously. Measurement cycles were carried out for NaNO ₂ taken in the amount of 10, 20 and 30 mg. The spectra of the transmitted waveguide radiation with increasing temperature showed noticeable changes in the melting point of sodium nitrite, which is 271 ° C (Fig. 3). The obtained dependences of the change in the integral transmission of the waveguide with increasing temperature were significantly different for the substance taken in different quantities, including the discovery of melting of sodium nitrite with a sufficiently small amount of the starting substance (10 mg).

Ячейка на основе сапфирового ТГц волновода для внутриволноводной спектроскопии позволяет проводить высокочувствительные спектрально-разрешенные измерения в большом диапазоне температур и давления, допускает работу в контакте с агрессивными средами и любые типы очистки и стерилизации ТГц волновода без ухудшения его рабочих характеристик.A cell based on a sapphire THz waveguide for intra-waveguide spectroscopy allows highly sensitive spectrally resolved measurements in a wide range of temperatures and pressures, allows operation in contact with aggressive media, and any types of cleaning and sterilization of a THz waveguide without compromising its performance.

Claims

A sapphire cell for terahertz intra-waveguide spectroscopy, which is a THz waveguide in the form of a rod with channels, with input and output ends, characterized in that a sapphire terahertz photonic-crystal waveguide with a central waveguide channel in which the analyte is located is used as a THz waveguide.