Проведена работа по проектированию устройства, которое можно использовать в составе систем дистанционного зондирования импульсным терагерцовым излучением объектов, находящихся за непрозрачной для видимого света преградой.
Ключевые слова: электрооптический кристалл, диапазон частот, излучение, рупорная антенна.
Введение
Терагерцовый диапазон частот электромагнитного излучения находится между инфракрасным и СВЧ диапазонами, а излучение в его пределах (0.1–10 ТГц) обладает свойствами обоих — проникает сквозь большинство диэлектриков и имеет низкую расходимость. Это позволяет использовать терагерцовое излучение в задачах дистанционного зондирования объектов, находящихся за непрозрачными для традиционных средств обнаружения преградами [1]. При зондировании необходимы источник ТГц излучения, как минимум один приемник ТГц излучения, коллимирующая и фокусирующая оптика, а также система регистрации и анализа сигналов. На рис.1 приведена общая схема системы зондирования.
Рис. 1. Схема зондирования объектов за непрозрачной преградой в ТГц диапазоне частот
Источник излучения может работать как в непрерывном, так и в импульсном режиме. В импульсном режиме возможно достижение больших значений мгновенной мощности (P=E/t, где E- энергия в импульсе, t — длительность импульса), что критично при нахождении объекта на значительных от приемника расстояниях (обычно десятки-сотни метров из-за сильного поглощения ТГц излучения атмосферой).
В качестве источников импульсного ТГц излучения используются системы на основе взаимодействия ультракороткого лазерного излучения (фемтосекундного и пикосекундного уровня) с фотопроводящими антеннами, нелинейно-оптическими кристаллами (эффект оптического выпрямления), с лазерным излучением в веществе (генерация разностной частоты). Как правило, энергия в импульсе в подобных источниках не превышает миллиджоулей [2], что налагает определенные требования на приемники излучения. Приемник должен обладать достаточной чувствительностью, чтобы зарегистрировать сигналы, ослабленные атмосферой и рассеянием от поверхности объекта. Таким приемникам необходимо иметь хорошую защиту от высокочастотных помех, тепловых полей и светового излучения.
В данной работе рассматриваются вопросы разработки и изготовления устройства для регистрации импульсного электромагнитного излучения в терагерцовом диапазоне частот. Функционально приемник должен состоять из детектора, фокусирующей системы, системы обработки сигнала от детектора, а также защитного корпуса.
Выбор детектора связан с решаемыми задачами — необходимо обеспечить регистрацию слабого короткоимпульсного сигнала с сохранением простоты конструкции, позволяющей использовать детекторы не только в лабораторных, но и в натурных условиях. Все детекторы терагерцового излучения основываются либо на квантовом механизме взаимодействия, либо на тепловом. Первые нуждаются в дополнительном охлаждении из-за низкой обнаружительной способности при комнатной температуре. Вторые представлены болометрическими, пирометрическими, оптоакустическими устройствами, из которых нам целесообразнее использовать пироприемники на основе электрооптических кристаллов как наиболее чувствительные. Электрооптические кристаллы являются сегнетоэлектриками, что приводит к накоплению на их поверхности заряда при изменении температуры. Самыми распространенными электрооптическими кристаллами являются ниобат лития (LiNbO 3 ) и танталат лития (LiTaO 3 ).
Устройство, принцип работы и взаимодействие составных частей типичного пиродетектора поясняется структурной схемой, представленной на рисунке 2.
Рис. 2. Структурная схема пиродетектора
Терагерцовое импульсное излучение падает на детектор — электрооптический кристалл — сегнетоэлектрик. На поверхности кристалла медленно (медленнее, чем время прохождения ТГц импульса через кристалл) формируются заряды, собираются металлическими обкладками и возникает электрический ток. Импульс тока усиливается в усилительных каскадах, опционально размещенных внутри герметичного корпуса детектора или снаружи. Для считывания сигнала можно использовать либо прямой сигнал непосредственно с выходов операционных усилителей, либо предварительно обработать его при помощи RC-цепочек (назовем это система управления параметрами сигнала).
Эквивалентная схема детектора и предусилителя в составе приемника показаны на рисунке 3.
Рис. 3. Эквивалентная схема детектора (отмечен пунктиром) и предусилителя в составе приемника
Обычно для минимизации помех от внешних тепловых источников и высокочастотных наводок электрооптический кристалл помещается внутрь герметичного металлического корпуса с входным окном, проницаемым для ТГц излучения, и выводами электродов. Иногда схема первого звена предусилителя также размещается внутри.
Рис. 4. Пример компоновки электрооптического кристалла и предусилителя внутри герметичного металлического корпуса
Конструкция ТГц приемника
Разрабатываемое устройство представляет собой детектор на основе электрооптического кристалла танталата лития, заключенный в собственный герметичный металлический корпус с окошком для пропускания излучения, расположенный на отдельной печатной плате. Схема предусиления сигнала с пиродетектора и управления параметрами сигнала расположена на своей печатной плате. Платы крепятся внутри общего корпуса, защищающего детектор и остальные электрорадиоэлементы от наводок, засветки, и механических воздействий. Корпус выполнен в виде металлического шасси, на котором закрепляются печатные платы, и металлического кожуха, также крепящегося к шасси. На лицевой панели прибора крепится рупорная антенна с углом полураскрыва 35 о . На задней панели располагается двухпозиционный переключатель питания и вывод для провода питания.
Рис. 5. Габаритные размеры корпуса ТГц приемника
Размеры корпуса приемника составляют 50х50х100 мм без учета антенны. Для изготовления несущих частей корпуса используется алюминиевый лист 5 мм А5М ГОСТ 21631–76, шероховатость Ra<2.5 мкм. Из листа при помощи ленточной пилы и фрезерного станка с ЧПУ вырезаются лицевая и задняя панели, две проставки, а также основание. В основании, проставках и панелях сверлятся отверстия под винт М2 глубиной 10 мм. Для изготовления кожуха используется алюминиевый лист толщиной 1 мм АМг2 ГОСТ 21631–76, шероховатость Ra<2.5 мкм. Заготовка кожуха вырезается при помощи ленточной пилы и сгибается по шаблону. Максимальный радиус скругления в углах должен составлять менее 1 мм. Для изготовления рупорной антенны используется заготовка из прутка латунного 50 мм Л63 ГОСТ 2060–2006, ГОСТ Р 52597–2006. Части корпуса соединяются вместе винтами М2х10. Внешние поверхности корпуса (кроме антенны) окрашиваются эмалью ЭП-140, предназначенной для поверхностей из стали, магниевых, алюминиевых и титановых сплавов а также меди и ее сплавов, а также для окраски изделий эксплуатируемых в условиях В2 по ГОСТ 9.104.79. ГОСТ 24709–81.
Рис. 6. Размещение печатной платы детектора в корпусе прибора
Печатная плата детектора спроектирована таким образом, что дает возможность отъюстировать положение детектора в корпусе прибора относительно рупорной антенны для достижения максимального уровня принимаемого сигнала. На печатной плате детектора находится только сам детектор, выводы от которого направлены в штыревой разъем, предназначенный для соединения с платой предусилителя.
Плата предусилителя крепится к основанию шасси. Так как заряд, снимаемый с обкладок конденсатора, образуемого электродами, достаточно мал (сравним с значением шумовой эквивалентной мощности), то одного каскада усиления недостаточно для уверенной трансимпедансной регистрации сигнала. Необходимо поэтапное усиление всех параметров сигнала с одновременной фильтрацией помех, как показано на рис.3. Первым усилителем является усилитель тока, вторым — усилитель напряжения. В качестве усилителей сигнала можно использовать операционные усилители AD8007, зарекомендовавшие себя в этом качестве [3]. Тогда напряжение питания составляет +5В, что легко реализуемо с использованием как типовых преобразователей напряжения, так и коммерчески выпускаемых химических батарей.
Рис. 7. Размещение платы предусилителя в корпусе
Испытание ТГц детектора
По приведенной конструкции был изготовлен прототип ТГц детектора, испытанный с использованием источника ТГц излучения (E≈1 нДж — 10 мкДж, t~ 1 пс, ν~1 ТГц) на основе оптического выпрямления фемтосекундного лазерного излучения (τ≈50 фс, E≈1 Дж).
Рис. 8. Схема испытания ТГц детектора
Излучение от источника формировалось в виде слегка расходящегося пучка при помощи специализированной оптики, изготовленной из тетрафторэтилена, затем попадало на алюминиевое внеосевое параболическое зеркало, которое перефокусировало пучок на приемную апертуру детектора. Управление параметрами излучения производилось путем изменения выходных характеристик источника. В результате были получены следующие значения: рабочий спектральный диапазон: 0.1 ÷ 1 ТГц, чувствительность в заданном диапазоне: 14 кВ/Вт. Расстояние при этом между зеркалом и приемником излучения составляло ≈20 м.
Литература:
- John Federici, Brian Schulkin, Feng Huang “THz imaging and sensing for security applications — Explosives, weapons and drugs” // Semiconductor Science and Technology 20(7):S266 2005
- József András Fülöp, László Pálfalvi, Matthias C Hoffmann and János Hebling “Towards generation of mJ-level ultrashort THz pulses by optical rectification” // Opt.Express 19 (16) 2011
- В. Н. Вьюхин, С. Д. Иванов «Регистрация маломощных наносекундных импульсов излучения приёмником на основе тонкоплёночной пироэлектрической структуры» // Автометрия, 2018. Т. 54, № 5
