en
Отдел субмиллиметровой спектроскопии РАН
[Главная страница] [Цели и задачи ] [Сотрудники отдела ] [Об микроволнах ] [Электромагнитный спектр ] [Спектрометр "Эпсилон" ]

ГЛАВНАЯ СТРАНИЦА

Установка "Эпсилон" совместно со спектрометрами в Чехии (Физический институт в г.Прага, проф.Петцельт), США (Калифорнийский университет в г.Лос-Анджелес, проф. Грюнер) и Германии (Университет в г.Аугсбург, проф. Лоидл, Университет в г.Штуттгарт, проф. Дрессель) входит в международную программу всеволновой диэлектрической спектроскопии, в рамках которой в настоящее время проводятся исследования микроскопических и мезоскопических свойств конденсированных сред в широком диапазоне частот от 10-3до 1015Гц. В рамках этой программы в ИОФ РАН приезжают ученые из Германии, США и Чехии для работы на установке "Эпсилон". В настоящее время на установке "Эпсилон" ведутся научно-исследовательские работы по грантам и проектам Миннауки РФ, Российского фонда фундаментальных исследований, а также международным проектам INTAS, CRDF и двусторонним проектам с американскими, голландскими, немецкими и чешскими учеными. Всего около 20 проектов и грантов.

Сотрудники отдела субмиллиметровой спектроскопии ИОФ РАН являются квалифицированными специалистами в области физики конденсированного состояния, физики низких температур и магнитных явлений, спектроскопии твердого тела, радиофизики субмиллиметрового и дальнего ИК-диапазона. В настоящее время в отделе работают 40 постоянных сотрудников (в т.ч. 4 доктора, 14 кандидатов физ.-мат наук, 2 профессора), проходят стажировку студенты и аспиранты из Московских Вузов (МГУ, МФТИ, МИФИ, МЭИ), приезжают для работы ученые из Германии, США, Чехии. Коллектив ученых Отдела, объединенный в Школу субмиллиметровой спектроскопии, получает финансовую поддержку от Правительства РФ в рамках Программы поддержки ведущих научных школ.

СУБМИЛЛИМЕТРОВЫЙ ЛОВ-СПЕКТРОМЕТР "ЭПСИЛОН"
Схема спектрометра Фото спектрометра
Спектрометр ”Эпсилон” отдела субмиллиметровой спектроскопии ИОФРАН

Рабочий диапазон частот:

  • основной 100-1000 ГГц;
  • дополнительный 60-1450 ГГц.

Измеряемые величины:

спектры комплексных:

  • коэффициента пропускания
  • коэффициента отражения
  • коэффициента преломления
  • диэлектрической функции
  • динамической проводимости
  • магнитной восприимчивости
  • тангенса угла потерь
  • коэффициента поглощения
  • двойного лучепреломления

Частотное разрешение: Dn/n ~10-4-10-5;

  • среднее 0.001 cm-1

Динамический диапазон: 40-45 dB,

  • дополнительный 45-60 dB.
  • отношение сигнал/шум 104-106.

Мощность источника: -0,5-50 мВт. Степень поляризации рабочего излучения:99.99 %.

Доступный для измерений температурный интервал: 2-1000 K.

Размеры образцов стандартные (в виде плоскопараллельных пластин) ~10-12 мм

Размеры образцов минимальные (в виде плоскопараллельных пластин) ~3-5 мм

Магнитное поле до1 кЭ;

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДИКИ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

На основе ЛОВ нами была разработана эффективная измерительная методика, предназначенная для характеризации материалов и устройств в ММ-СБММ участке спектра (l ~ 3-0.3 мм, n ~ 100-1000 ГГц) [1-2]. Эта методика соединяет в себе преимущества СВЧ технологии и инфракрасной спектроскопии, а именно: высокое качество монохроматического ММ-СБММ излучения, которое управляется оптическими методами в свободном пространстве. В результате данные высокого качества, быстро получаемые в реальном масштабе времени, дают спектры обеих частей (действительной и мнимой) комплексной либо коэффициентов пропускания/отражения устройств, либо диэлектрической функции (проницаемости, поглощения, проводимости и т.д.) исследуемых материалов. Используя метод, основанный на применении ЛОВ, мы выполнили огромное число исследований по а) электродинамическим свойствам различных квазиоптических ММ-СБММ устройств и б) диэлектрическим свойствам самых разнообразных веществ. В случае а) исследовались поляризаторы, аттенюаторы, обрезающий и полосовой фильтры, фазовые компенсаторы. В случае б) мы изучили различные монокристаллы и керамики, стекла и полимеры, порошки, композиты, жидкости, пленки, волокна и т.д.

На рис. 1 и 2 показаны типичные излучательные возможности ЛОВ и геометрии измерительных схем устройств на основе ЛОВ (спектрометров). Последние - принципиально оптического типа и, следовательно, чрезвычайно гибкие. Они легко модифицируются и приспосабливаются для особых требований простой перестановкой компонент - генератора (ЛОВ), детектора (ячейки Голея), а так же линз, диафрагм, поляризаторов, фазового компенсатора, аттенюатора и модулятора (не показан). Изучаемый объект (образец) размещается в пучке излучения, и измеряются его коэффициенты пропускания/отражения и/или соответствующего фазового сдвига волны излучения. ЛОВы заменяемы в генераторе, и каждая из них работает в режиме сканирования частоты. В настоящее время параметры действующей аппаратуры следующие: диапазон частот 100-1000 ГГц, с расширением от 60 ГГц до 1500 ГГц, частотное разрешение - Dn/n ~ 10-5, динамический диапазон (сигнал/шум) 104-106 , степень поляризации 99.99%, характерное время отклика (перестройки) 10-2сек., скорость записи спектра в диапазоне перестройки ЛОВ - 300 точек в минуту, пространственное разрешение - несколько длин волн (0.5 мм).

График 1
Рисунок 1. Панорама излучательных свойств ЛОВов: рабочие частоты и соответствующие выходные мощности. Кривые строго индивидуальны для каждой конкретной ЛОВ. Цифры (номера кривых) показывают значение центральной длины волны ЛОВ в диапазоне перестройки.

График 2

Рисунок 2. Основные ЛОВ квазиоптические измерительные геометрии: a) - простейшая конфигурация "на пропускание"; b) - поляризационный интерферометр Маха-Цандера; c) и d) конфигурация "на отражение".

Описанная ЛОВ-методика разрабатывалась в течение многих лет фундаментальных исследований по физике сконденсированного состояния. В Таблице 1 представлены вещества, исследованные при помощи ЛОВ-измерений. Для перечисленных веществ подробно изучено частотно-температурное поведение их диэлектрических функций в ММ-СБММ диапазонах. Нами было обнаружено, что большое число неметаллических материалов прозрачно для ММ-СБММ излучения при толщинах 0.1-5 мм, и для получения их спектров пригодна простая схема "на пропускание" - а) и б) на Рис. 2. Такие спектральные измерения наиболее быстрые и точные и пригодны для рутинных массовых измерений различных материалов и устройств. Рисунки, данные ниже, показывают несколько характерных примеров. Прозрачные плоскопараллельные образцы обычно дают осциллирующий вид ММ-СБММ спектра коэффициента пропускания (эффект Фабри-Перо - Рис. 3а), позволяя сразу рассчитать через периодичность, размах и высоту интерференционных максимумов как действительную, так и мнимую части показателя преломления n и k, и/или диэлектрической функции

e’ = n2-k2, e” = 2nk

В практике ЛОВ измерений спектры n, k, e' и e" рассчитываются при помощи компьютерного моделирования подбора Френелевских кривых под экспериментальные осцилляции (спектры пропускания). На Рис. 3 приведен пример описанного метода для ЛОВ характеризации СВЧ керамик. На Рис. 4 показан один из наборов данных e' и e", относящихся ко многим веществам, прозрачным в ММ-СБММ области. Также на Рис. 4 показана наша обычная процедура обработки данных объединенных спектров ММ-СБММ данных (100-1000 ГГц) и ИК данных (n>1000 ГГц) в обобщенную широкодиапазонную панораму диэлектрического отклика. Подобные данные для непрозрачных (сильно поглощающих) материалов можно получить с помощью дополнительных измерений фазы в интерферометре Маха-Цандера (Рис. 1б).

На Рис. 5 и 6 показаны результаты измерений на пропускание на тонких плоских промышленных структурах - свободно подвешенной проволочной сетки и гальванически осажденных металлических ячеек.

График 3
Рисунок 3. Диэлектрическая характеризация СВЧ керамик: a) экспериментальные спектры пропускания таблеток BMT and BNT при комнатной и высокой температурах; b) обобщенные данные по дисперсии и поглощению СВЧ керамик при комнатной температуре (затененные участки - поглощение, вызванное особенностями технологии приготовления материала); c) таблица изученных керамик; d) проверка температурной стабильности СВЧ керамик.

График 4
Рисунок 4. Сравнительные данные дисперсии e' и поглощения e" для ММ-СБММ прозрачных материалов при комнатной температуре - кристаллических диэлектриков, полупроводников, полимеров. На частотах 1010-1013 ГГц e' не зависит от частоты. В полупроводниках и полимерах e" частично зависит от образца.

График 5

Рисунок 5. Спектр пропускания промышленных свободно подвешенных тонких проволочных сеток при направлении вектора Е вдоль проволок (ММ-СБММ поляризаторы): а) текущий спектр, записанный с помощью ЛОВ при одном цикле сканирования; б) спектр, составленный широком диапазоне. Цифры показывают промежутки между проволоками, при этом толщина проволок 10 и 15 микрон (сплошная и штриховая линии соответственно).

График 6

Рисунок 6. Пропускание ММ-СБММ обрезающего (левый) и полосового (правый) фильтров.

Погода в Москве